白色光の屈折率

質問

白色光の屈折率についてなのですが、
一般に、光だと、
振動数が大きいほど、屈折率が大きく、
振動数が小さいほど、屈折率が小さい
という風に習いました。
なぜ、そのように言えるのでしょうか。
できれば、高校物理の範囲で答えていただけるとありがたいのですが、
教科書にもそれについての説明は載っていなかったので、
それは、高校物理の範囲を超えているからだと思いますので、
できればの範囲でお願いします。。

回答No.6

walkingdic · ベストアンサー

>なぜ、“赤色の光と、青色の光とでは、屈折するときに、入射角が同じでも屈折角が違う”のでしょうか。

はい。これは波長により屈折率が異なるために生じます。
ただご質問者の根本的な疑問は、なぜ異なるのかという点にあるのだと思います。
これは、そもそも屈折率とはなんなのかということを理解しなければなりません。

光は電磁波という波です。この波が物質の中を伝わるときに何が起きているのかを知ることが大事です。
この中で一番重要なのは「吸収」という現象です。光という波は物質に一度吸収されて再放出されるということが起きています。（厳密には少し異なりますが高校レベルで理解するためにわかりやすい考え方で話をしています）
吸収して光が熱になったりすると意味はありませんが、物質がその入ってきた光にあまり吸収されない領域（見た目には透明に見える）では、一度吸収した光を再放出するということが起きます。

さて、波を考えたときに再放出された光の位相は元の光より遅れています。なぜならば入ってきた波により原子・分子が振動し、それにより波が再放出されるためです。
すると光という波全体では元の位相よりも遅れが生じます。
見方を変えると光の進む速度が遅くなったように見えます。

このどれだけ遅れが生じているのかという数字が屈折率です。

そのため物質が一番よく吸収する波長（これを共鳴周波数といいます）より遠いところの方が吸収が小さく、吸収が小さいほどこの遅れは小さくなります。なぜならば光の吸収・再放出がおきにくいからです。

故に波長により屈折率が異なるということがおきるのです。

さて、次にではご質問のはじめにある振動数が大きい（波長が短い）ほど屈折率が大きいという傾向が一般に存在するという理由は何であるかです。上記の説明だと、単に吸収するピークから遠ざかれば屈折率は小さくなるのですから、吸収する位置が問題になります。

たとえば波長６００ｎｍで吸収ピークとなる物質であれば、そこの点より短波長でも、長波長でも遠ざかれば屈折率は小さくなります。
（厳密には吸収ピークでは位相の遅れがなくなるため、そこでは屈折率は１となり、吸収ピークを少しずれた点で最大になり、その後緩やかに屈折率が１に近づく）

しかし、通常ガラスにしてもプラスチックにしてもほとんど光の吸収そのものがおきにくい物質の場合ですと、それらの物質の吸収は紫外の領域にあります。

実は原子・分子の結合という物質が形をなす基本的な結合による吸収というものがほとんどすべての物質で存在し、それは紫外領域にあるのです。波長にして１００ｎｍ～４００ｎｍ付近に透明な物質も含めて大抵強い吸収が存在します。

そのため、透明なガラスなどでみると、強い吸収は紫外領域にあるので、それから遠ざかるほど屈折率は小さく、近づくと大きくなるため、一般的な傾向として波長が短く（振動数が大きく）なると屈折率は大きくなるという傾向が生まれます。

ただ先に話したように吸収ピークがたとえば赤外に強いピークのある物質では可視光領域で透明であっても逆特性、つまり波長が短いと逆に屈折率が小さくなる領域が存在するなど、必ずしもどんなものでもそうだといえるわけではありません。

ちなみにこの一般的な傾向に一致しているものを「正常分散」といい、それから外れた特性のものを「異常分散」と呼んでいます。この異常分散というものはカメラのレンズなどで高性能なものを作る場合に非常に重要なため、意図的にそういうガラスによるレンズなどが使われています。

では。

お礼

ありがとうございました。。
理解することができたと思います。
高校物理では、こういうことは、当たり前として書かれていて、
なぜかなぁということをずっと思っていたので、
それを払拭することができました。
どうもありがとうございました。