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光の屈折

光の屈折、または曲げは、光がある媒 屈折はレンズの重要な特徴であり、一点に一本の光線を集中させることができ、また、部分的に水中に沈んだ物体の見かけの歪みなど、さまざまな身近な現象の原因となっています。屈折率は、真空中での光の速度に対して材料を通過する相対速度として定義されます。

屈折率は、真空中での光の速度に対して材料を通過する相対 慣例により、真空の屈折率は1.0の値を有するものとして定義される。 他の透明材料の屈折率nは、次の式で定義されます。

n=c/v

ここで、cは光の速度、vはその材料の光の速度です。 真空の屈折率は1と定義されるからである。0および真空はあらゆる材料を欠いています、従ってすべての透明な材料のr.i.は1.0より大きいです。 ほとんどの実用的な目的のために、空気を通る光の屈折率（1.0003）は、未知の材料の屈折率を計算するために使用することができます。 いくつかの一般的な材料の屈折率を以下の表1に示す。

素材 屈折率 素材 素材 素材 素材 素材 素材 素材 素材 素材 素材 素材 素材 素材 素材 素材 素材 素材 素材 素材 素材 素材 素材 素材 素材 素材 素材 素材

空気

1.0003 Water 1.33 Glycerin 1.47 Immersion Oil 1.515 Glass 1.52 Flint 1.66 Zircon 1.92 Diamond 2.42 Lead Sulfide 3.91

Table 1

It is important to note that the speed at which refracted light travels is dependent upon the density of the materials it is traveling through. 例えば、光が空気のような密度の低い媒体から水のようなより密度の高い媒体に通過すると、電磁波が進行する速度が低下する。 あるいは、光がより密度の高い媒体からより密度の低い媒体に通過すると、波の速度が増加する。しかし、屈折した光が移動する角度は、入射角とそれが入射する材料の組成の両方に依存する。

しかし、屈折した光が移動する角度は、入射角とそ 法線は、二つの物質間の境界に垂直な線として定義することができます。 光は法線に対して角度で境界に入り、スネルの法則に従って屈折されます。

n1x sin(q1)=n2x sin(q2)

ここで、nは材料1と材料2の屈折率を表し、qは法線に対してこれらの材料を通過する光の角度を表します。 この方程式から引き出すことができるいくつかの重要な点があります。 N(1)がn(2)より大きい場合、屈折角は常に入射角よりも小さくなります。 あるいは、ｎ（２）がｎ（１）よりも大きい場合、屈折角は常に入射角よりも大きい。 2つの屈折率が等しい場合（n（1）=n（2））、光は屈折せずに通過します。

屈折率の概念は、空気からガラスと水の両方を通過する光の場合に焦点を当て、下の図1に示されています。 両方のビームが法線（60度）に対して同じ入射角を介してより密度の高い材料に入るが、ガラスの屈折率が高いため、ガラスの屈折率は水の屈折率よりも約6度大きくなることに注意してください。

科学者たちは、屈折率が光の放射（または波長）の頻度によって変化することを発見しました。 この現象は、すべての透明媒体と関連して発生し、分散と呼ばれています。 したがって、透明物質の屈折率を測定する際には、測定に使用される特定の波長を特定する必要があります。 以下、表２は、種々の媒体中の３つの独立した波長の分散を詳述する。/div>

素材 ブルー
(486.1nm) 素材
(486.1nm) 素材
(486.1nm) 素材
素材
素材
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素材/td> イエロー
(589.3nm) レッド
(656.3nm) クラウンガラス 1.524 1.517 1.515 フリントガラス 1.639 1.627 1.622 Water 1.337 1.333 1.331 Cargille Oil 1.530 1.520 1.516 Carbon Disulfide 1.652 1.628 1.618

Table 2

The most commonly used wavelength to measure refractive index is that emitted by a sodium lamp, which has an average wavelength of 5.893 nanometers. この光は、Ｄ線スペクトルと呼ばれ、上記の表２に列挙された黄色光を表す。 同様に、F線およびC線スペクトルは、水素によって放出される特定の波長の青色および赤色光に対応する。 これらのスペクトルは、定量的に次のように定義することができる分散の計算における基本的なものです。

n=dispersion=(n(D)-1)/(n(F)-n(C))

nは、上記のようにナトリウムと水素のスペクトル線を表すD、F、およびCによって指定された特定の波長における材料の屈折率である。 この関係は、光の波長が増加するにつれて屈折率が低下するようなものである。 しかしながら、多くの要因が、それらの元素組成および分子組成を含む様々な材料の分散において役割を果たす。 クロム酸塩、重クロム酸塩、シアン化物、バナジン酸塩、ハロゲン化物錯体などのいくつかの無機固体は、異常に高い分散を有する。 しかし、有機置換基もまた、高分散に寄与し得る。

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Refraction of light is particularly important in the construction and physics of lenses. 光のビームが図1のガラスと水の両方を出たとき、それは再びそれが材料に入ったのと同じ角度で屈折したことを覚えておいてください。 この概念は、レンズの機能に不可欠ですが、レンズの形状は結果の画像に大きく影響します。 凸レンズでは、図2に示すように、物体（この場合はキリン）から反射された光波がレンズの光学中心に向かって曲げられ、焦点に収束します。

レンズの前面焦点に対するオブジェクトの相対的な位置は、オブジェクトがどのように結 物体が焦点の長さの2倍を超えている場合、それはより小さく反転して見え、サイズを拡大するために追加のレンズで撮像する必要があります。 しかし、画像が焦点よりもレンズに近い場合、画像は単純な虫眼鏡で容易に示すことができるように、直立して大きく表示されます。

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Due to the refraction of light, a common optical illusion occurs when objects are visualized in water. 図3に示されているように、水で満たされたガラスの中の単純な飲料ストローは、この発生の典型的な例です。 この例では、光の波は最初に水を通過し、次にガラス/水の境界を通過し、最後に空気を通過する必要があります。 わらの端から反射された光波は、わらの中心からの光波よりも大きく屈折し、わらを拡大してわずかに歪んで見えるようにします。

同じ現象は、光学顕微鏡で液体の屈折率を決定するために使用することができます。 そうするためには、印（か卒業）が付いている液体を握ることができる平らな細胞は中のガラス表面に置かれなければならない。 また、顕微鏡接眼レンズの一つは、平坦なセル内のマークの線幅測定のための一次画像平面に挿入された累進レチクルを持っている必要があります。 細胞に未知の屈折率の液体を加える前に、顕微鏡は細胞の底に印および注意されるレチクルの印の位置の測定に焦点を合わせるべきです。 次に、少量の液体を細胞に加え、顕微鏡をマーク（液体を介して）に再焦点を当て、新しい測定を行う必要があります。 顕微鏡は、最終的に液体の表面に焦点を当て、レチクル上のマークの位置を測定することによって記録された第三の読書する必要があります。 未知の液体の屈折率は、次の式を使用して計算することができます。

屈折率(n)=D(測定)÷D(見かけ)

ここで、D(測定)は顕微鏡を使用して測定された深さ(液体の表面から空のセル上のマークの位置まで)であり、D(見かけ)は液体の有無にかかわらずマーク測定である。

反射の臨界角は、光の屈折の研究におけるもう一つの重要な概念であり、図4に以下に示されています。 光が高屈折率の媒質を通過して低屈折率の媒質になると、光波の入射角が重要な要素になります。 入射角が特定の値（2つの媒体の屈折率に依存する）を超えて増加すると、角度が非常に大きく、屈折率の低い媒体に光が屈折しない点に到達します。

図4では、個々の光線は、高屈折率（n（2））の媒体から低屈折率（n（1））のいずれかに移動する赤または黄色の矢印で表 各個々の光線の入射角はiで表され、屈折角はrで表されます。四つの黄色光線はすべて、二つの媒体間の界面を通過するのに十分低い入射角（i）を有する。 しかしながら、２つの赤色光線は、臨界角（約４ １度）を超える入射角を有し、媒体間の境界に反射されるか、または高屈折率媒体に戻される。 この現象は、屈折角（図4の角度r）が90度に等しくなり、スネルの法則が次のように減少したときに起こります。

sin(q)=n(1)÷n(2)

(q)は臨界角Cと呼ばれます。更にに減ります:

sin C=1/n(2)

前に説明したように、光屈折のもう一つの重要な特徴は、光の波長が媒体内で起こる屈折の量に影響を与える 実際、起こる屈折の量は、入射光の波長に反比例する。 このように、短波長の可視光は、長波長の光よりも大きな角度で屈折される。 その結果、可視スペクトルのすべての色で構成される白色光がガラスプリズムを通過すると、個々の波長に依存する方法でその成分色に分散される。 低周波可視光（600ナノメートル以上）は、高周波光よりも小さな角度で屈折し、図5に示すように虹のような効果をもたらします。

この同じ現象は、色収差の原因でもあります。 白色光が単純な凸レンズを通過すると、成分波長のわずかな屈折率差に対応するいくつかの焦点が近接して生じる。 この効果は、オブジェクトの画像を囲む色付きのハロー（焦点に応じて赤または青のいずれか）を生成する傾向があります。 この収差の補正は、通常、クラウンとフリントガラスの両方で構成された無彩色レンズのような、異なる分散特性を有する材料で構成される二つ以上のレンズ要素の組み合わせを使用することによって達成される。

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Over the years, humans have made many devices that make use of the fact that light can be refracted, as well as reflected and focused. 最も一般的な例は、正確な画像を生成するために、フィルムのエマルジョンまたは電荷結合素子（CCD）の表面上にシャープで焦点を当てた画像を作成するよ これらの光の特性を利用する他の光学装置には、ピンの頭の上にあるか、遠い銀河の中にあるかにかかわらず、人間の目には見えない物体を見ることができる顕微鏡や望遠鏡があります。

寄稿著者

Mortimer Abramowitz-Olympus America,Inc.、二つの企業センタードライブ。,メルヴィル,ニューヨーク,11747.

Shannon H.Neaves and Michael W.Davidson-National High Magnetic Field Laboratory,1800East Paul Dirac Dr.,The Florida State University,Tallahassee,Florida,32310.

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