光の屈折率について

質問

波長が長いほうが屈折率は小さく、波状が短い方が屈折率が大きいのだと思うのですが、これはなぜでしょうか？

理由が問題集に書かれていないのですが、難しい証明が必要なのでしょうか。でしたらたぶん理解できないので、簡単に教えて頂けたらうれしいです。

回答No.4

noname#11476 · ベストアンサー

まず、一般にはご質問の通り短波長側で屈折率か高くなる傾向にあります。可視光に透明であるガラス材料などでは特殊な場合を除いて当てはまります。が、それはすべての物質に当てはまるというわけではありません。中には逆になる場合もあります。
理由は物質の吸収が関係しています。
吸収については、他の方からの質問があり、そこに回答していますのでご参照下さい。
http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=598512

さて、吸収が短波長側にあるとき、短波長側の屈折率が高くなる理由について簡単に述べます。
そもそも屈折率というのは、物質が光を吸収して再度放出するときの時間的な遅れが原因です。ですから直感的にも、吸収が小さければ屈折率は１に近く、吸収が大きければ屈折率が高くなると言うのは理解できると思います。

より正しく説明するならば、実はこの吸収という成分があるからこそ屈折率が生じます。これを説明する式がクラマース・クローニッヒの関係式といい、この式により吸収と屈折率の関係が説明できます。

何にしても、簡単には吸収が紫外領域にあるために、長波長では屈折率が小さく、短波長では屈折率が高いという傾向がある。但し吸収が可視光、赤外光にある物質では必ずしもそうとは言えない、というのがご回答になります。

なお、屈折率や吸収の波長に対する変化（これを分散といいます）を簡単に導きたい場合は、一次元の振動子の運動方程式を立てても導くことが出来ます。これは原子などの光の吸収、放出を扱っている本には大抵載っていますので一度ご覧下さい。その式には吸収ピークの波長を定数として与えるようになっていますので、そのピークの波長を紫外にすると、短波長側ほど屈折率が大きくなると言う関係が導き出せます。

お礼

いつも詳しいご回答ありがとうございます。
上記の質問も読ませていただきました。(ちょっとむずかしかったですが(＾＾；)

＞そもそも屈折率というのは、物質が光を吸収して再度放出するときの時間的な遅れが原因です。ですから直感的にも、吸収が小さければ屈折率は１に近く、吸収が大きければ屈折率が高くなると言うのは理解できると思います。

なんとなく直感的にわかります！確かに、って感じです(＾＾；

※結合エネルギーの話とかはまだならってないのですが、習ったらもう一回シッカリ呼んでみようと思います。

ありがとうございました。

回答No.5

Gawae

No.1の補足です。
　「空が青い」理由は「屈折」ではなくて「散乱」によるものです。参考ＵＲＬに書いてありますが、短波長の光は散乱しやすく色々な方向から目に飛び込んで来るため青く認識されますが、他の色の光は太陽光としてそのまま真っ直ぐ通り抜けていくため目には届かないんですね（真っ直ぐ届いた光は直接太陽を見た光となります）。
　夕日が赤いのも私がたとえ話に使ったので間違った表現になっています（ごめんなさい）が同じ「散乱」によるもので、今度は波長の短いものが散乱されつくして逆に長波長の光だけが認識されるということになります。

　それにしても、波長が逆のパターンの屈折になることもあるんですね。勉強になります。

参考URL：

http://www.kiriya-chem.co.jp/q&a/q25.html

お礼

>「空が青い」理由は「屈折」ではなくて「散乱」によるものです。
そうなんですね。
勘違いしていました。
ご回答有り難うございました。

回答No.3

Mell-Lily

波動の考え方で、屈折の式を導くことができます。図書を探してみてください。

ニュートンの方程式
　F=ma
は、古典物理の基本法則です。この法則は、他の法則から演繹することはできません。逆に、この法則から、すべての法則が演繹されます。物理学とは、一つの経験科学であって、帰納することによって、法則が発見されるのです。経験からの帰納が法則の出自であって、法則から演繹されるものを実験で調べることが、法則の証明なのです。

お礼

実験でわかったってことなんですね。
ご回答有り難うございました。

回答No.2

yassan_yassan

はっきり言って自信無いのですが、たぶん経験則ではないかと。
物理学って経験則が多いですから。
有名なニュートンの運動方程式も経験則で、証明はされていないらしいです。

お礼

＞有名なニュートンの運動方程式も経験則で、証明はされていないらしいです。

そうなんですかー全然知りませんでした。
学校で習ったときにはそんなこと気付きもしませんでした(＾＾；

経験則っていうことは覚えるしかないってことでしょうか。
ご回答有り難うございました。

回答No.1

Gawae

まず、光が屈折するのは
・光が通り抜ける速度が違う２物質（たとえば空気と水）の境目で曲がる
・ナナメに光が入った時に曲がる
ということを頭に入れておいてください。

ここからたとえ話が多くなります。
波長の長い光は色々なものの影響を受けにくく、波長の短い光は受けやすいことは夕日が赤い（波長の長い光が妨害が少なく届く）ことからも分かりますね。
そこで長波長の光を地面の影響を受けにくいタイヤの車、短波長の光を地面の影響を受けやすいタイヤの車とします。
途中で走りにくくなる所にナナメに車が入っていきます。短波長の車は先に走りにくい所に入ったタイヤがグリップしてそちらの方向に曲がります。しかし長波長の車はグリップが少ないのであまり曲がらずに行けます。
と、長くなりましたがこんな感じではないでしょうか。

補足

ご回答ありがとうございますm(__)m

たとえ話は、イメージができたのでとてもわかりやすくて感謝です(＾＾)

でもちょっとわからないのですが、

＞波長の長い光は色々なものの影響を受けにくく、波長の短い光は受けやすいことは夕日が赤い（波長の長い光が妨害が少なく届く）ことからも分かりますね。

たしかに夕日は赤いですが、昼間は青いですよね。

＞・ナナメに光が入った時に曲がる

という点から考えると昼間は光が曲がらないのか、と思ったのですが、
なんで赤色は見えなくて、波長の短い青色が見えるのか？
と疑問に思いました。

お忙しいと思いますが、よかったら教えて下さい。