屈折とは？水中で曲がって見える理由と、変わらない周波数

屈折は、波が伝わる速さの違う領域へ進むときの進み方の変化です。斜めに境界へ入る光が曲がる例が有名ですが、垂直に入る場合には向きが変わらなくても、速さや波長が変わることがあります。

境界で、変わるものと変わらないもの

静止した境界を通り、周波数が変わる別の過程を考えない模型では、光の周波数は前後で同じです。速さv、周波数f、波長λの関係はv=fλなので、速さが小さくなると波長も小さくなります。

説明用に、速さが前の3/4になるとすれば、同じ周波数の波長も3/4です。「光が遅くなるので、色の周波数も同じ割合で下がる」とはなりません。

屈折：角度は法線から測る 等方的な透明媒質の境界へ斜めに入る光の模式図です。境界が静止している場合、周波数は変わらず、速度と波長が変わります。図：Takeru Lab作成。

境界に垂直な線 ＝ 法線
入射角 θ₁：入る波の方向と法線の角
屈折角 θ₂：進んだ波の方向と法線の角
n₁ sinθ₁ = n₂ sinθ₂

スネルの法則で使う角度の定義です。

屈折率nは、真空中の光速cを、その媒質での位相速度vで割ったn=c/vです。通常の透明な媒質について、屈折率の小さい側から大きい側へ斜めに入ると、法線に近づく向きに屈折します。

n₁=1、n₂=1.5、入射角30°という作例なら、sinθ₂=1/3で、屈折角は約19.5°です。30°から90°を引いた角を代入すると、測る向きを取り違えます。

水中の部分から目へ届く光が境界で曲がるため、目に届いた光をまっすぐ逆に延ばした位置と、実際の位置がずれます。水中の物そのものが折れた証拠ではありません。

見え方は見る角度や容器の形にも依存します。曲面のコップなら、平らな一枚の境界だけの模型とは違います。説明図の条件と、自分が見ている容器の条件をそろえましょう。

境界では一部が反射し、一部が透過することがあります。屈折率の大きい側から小さい側へ進む場合、入射角が条件を超えると、透過する進行波を考えられない全反射が起こります。どちら側から進むかが大切です。

広がりを考える回折、重なりを考える干渉も、光の見え方を整理する別の切り口です。