光が物体に当たって反射するのが「反射」、物体を通過するのが「屈折」という、混同しやすい光の性質があります。

光は光子という小さな粒子で構成されています。 光子が物体にぶつかって反射すると、鏡に映った自分の姿を見ることができます。 同様に、光子が物体を通過すると、光は屈折します。

このガイドでは、両現象の違いを説明するとともに、反射と屈折の日常生活への応用を解説しています。

リフレクションの概要

画像引用元：12019、Pixabay

光波が表面で跳ね返ると反射が見られますが、表面に当たった光と反射した光波の角度が、反射光の大きさを決定します。

反射光の量は、反射面の性質にも依存します。 例えば、滑らかで光沢のある表面は、くすんで粗い表面よりも光を反射します。

鏡は光を直線的に反射するので、鮮明な像を見ることができます。 しかし、曲面に当たった光は、さまざまな角度で跳ね返り、曲面で反射した波が互いに干渉して、歪んだ像を見ることができます。

光の反射は、凹面では実像、凸面では虚像となり、それぞれ特有の効果をもたらします。

リフレクションの例

反射の最も一般的な例は鏡ですが、鏡には左右反転した像が映っていることにお気づきでしょうか？

これは、光波が鏡で跳ね返るときに方向が変わるためで、入射光と反射光の角度は同じです。

また、静止した池や湖の水面も反射の典型例で、滑らかな水面に光が反射すると、鮮明な映像が得られます。 同様に、携帯電話の画面にも自分の姿が映り込むことがあります。

反射の種類

光の反射には3種類あり、対象物の種類や光の作る角度によって異なります。

ディフューズリフレクション

乱反射とは、物体に当たった光が多方向に散乱することで、表面が滑らかでない場合に起こります。

光の波が粗い面に当たって、いろいろな方向に跳ね返る。 鏡に映る像は、この拡散反射が原因です。

画像引用：Dannie Jing, Unsplash

スペキュラーリフレクション

鏡のように滑らかで光沢のある面を鏡面といい、光の波が一定の角度で跳ね返ってきます。

鏡面反射は、レーザー、望遠鏡、ペリスコープなどに応用されているもので、表面と反射光線の角度は、表面と入射光線の角度に等しい。

グロッシーリフレクション

光沢面は鏡面の一種ですが、表面に対して斜めに微小な面があり、その微小な面が光を多方向へ散乱させます。

鏡面反射ほどシャープではない反射になります。 車の塗装やアクセサリーに光沢のある反射が見られます。

屈折の概要

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屈折は、波が媒質中を伝わる際に、その速度が変化することによって起こる。 速度の変化は、波がある媒質から別の媒質へ伝わること、または波が異なる領域で異なる性質を持つ媒質中を伝わることに起因している可能性がある。

例えば、空気中から水中に向かう光波は、空気中よりも水中の方が光の速度が遅いため、法線（入射面に対して垂直な線）方向に曲げられますが、この曲げられる量は2つの領域の波速の違いによって異なります。

屈折率とは、真空中の波の速度と媒質中の波の速度の比のことです。 例えば、水の屈折率は1.33、空気の屈折率は1.00です。 したがって、光が屈折率の高い媒質に入ると（空気→水）、速度が低下し、法線方向に曲がることになります。光は、屈折率の低い媒質から屈折率の高い媒質へ進むと、法線から離れる方向に曲がる。

屈折の例

屈折は身近なところで起こっています。 その代表的なものが人間の目です。 人間の目は屈折を利用して見ることができます。 光が目に入るとき、角膜で屈折が起こります。 角膜は目の前面の透明で曲がった部分で、空気より屈折率が高く、目に入る光波を曲げています。

そして、角膜の奥にある透明で曲がった構造の水晶体が光を屈折させ、さらに光を曲げて網膜に焦点を合わせます。

プールの底を見ると、水によって光の波が曲げられ、プールの底が実際よりも近く見えることがあります。

例えば、水の入ったグラスの中のストローが曲がって見えるのは、光の波が空気中から水中に向かうときに曲げられるからです。

光が水滴に当たると、波長ごとに異なる角度で屈折するため、7色の虹ができるのです。

屈折の種類

屈折の種類は、媒体の密度によって異なります。 ここでは、標準的な2種類を紹介します。

密集～希少

前述したように、光は希薄な媒体から密な媒体へ通過するとき、法線方向に曲がる。 その結果、入射角は屈折角より大きくなる。

レア～デンス

光線が密な媒体から希な媒体に向かうとき、入射角は屈折角より小さくなる。 この場合、光波が法線から離れるように曲がるからだ。

一般に、媒質の屈折率は媒質中の光の速さに正比例し、屈折率が高いほど媒質中の光の速さは遅くなる。

リフレクションの応用

鏡の他にも、反射は私たちの日常生活で様々な用途に使われています。 ここでは、そのいくつかをご紹介します。

メートル

電圧計や電流計などのメーターには、メーターの背面から直接見るのではなく、斜めから見ることで発生する「視差エラー」を防ぐために鏡が存在します。

メーター背面にミラーがあり、ユーザーがミラーを覗き込むと、目の高さに読み取り値が表示されます。 パララックス誤差を気にすることなく、正確な読み取りが可能です。

画像引用元：Svarun, Shutterstock

自動車用ミラー

車に乗るたびに反射を利用するバックミラーやサイドミラー。 これらは、平面鏡や凸面鏡を使って広い視野を確保するものです。

マイクロスコープ

顕微鏡は、凹面鏡で光を反射させて標本に当てるのですが、この鏡は通常、焦点調節が可能です。

倍率は鏡の曲率に依存します。 凹面鏡に光が反射すると焦点が合うので、対象物が鏡に近いほど倍率は大きくなります。

オーバーヘッドプロジェクター

オーバーヘッドプロジェクターの仕組みをご存知ですか？ 凹面鏡を使ってスクリーンに光を反射させるプロジェクターです。 映像は逆さまに映りますが、鏡で反転させているので、右上がりになっています。

ファイバーオプティクス

光ファイバーは、電話やインターネット、ケーブルテレビ、医療機器など、長距離の情報を伝達する重要な技術である。

光ファイバーは、ガラスやプラスチックの細い繊維を使って光を運びます。 光波は、繊維の壁に反射して繊維に沿って進みます。

光ファイバーの基本原理は全反射です。 ファイバーのコアとクラッドは屈折率が異なるため、光波がコアからクラッドに通過する際に反射します。

屈折の応用

現代では、光の屈折を利用した機器が多くあります。 ここでは、そのいくつかをご紹介します。

レンズ

レンズには少なくとも1つの曲面があり、その曲面によってレンズの中央部が周辺部より厚くなるため、すべてのレンズは屈折によって機能します。

レンズを通過した光の波が曲げられ、虫眼鏡のような働きをします。 カメラや顕微鏡、双眼鏡などの光学機器にはレンズが使われています。

プリズム

プリズムは、カメラやプロジェクター、レーザーなど、多くの光学機器に使われています。 白色光を色ごとに分けることができ、例えば、カメラのフィルムやイメージセンサーに光を曲げたり、焦点を合わせたりすることができます。

Image By: congerdesign, Pixabay

メガネ

視力障害用メガネは、凸レンズを使用し、遠くのものをより大きく、より近くに見せることができます。

その結果、メガネをかけた人は、よく見えるようになります。

反射の法則と屈折の法則の違い

反射の法則とは、光線が表面で反射するとき、光線と表面のなす角度が、光線と表面に垂直な線（法線）のなす角度と等しくなることをいいます。

一方、スネルの法則とは屈折の法則のことで、ある媒質から別の媒質へ光線を通すとき、入射角の正弦と屈折角の正弦の比が一定であるというもの。 この定数は屈折率と呼ばれ、媒質の組によって異なる。

結論

光は波のような性質を持っているため、この2つの性質を併せ持っています。

光波は障害物にぶつかると四方八方に散乱しますが、異なる媒質の境界にぶつかると曲がります。 これは、光波が異なる媒質の中を進む速度が異なるために起こる現象です。

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画像引用：左-Juan Pablo Serrano Arenas, Pexels, Pixabay; 右-ScienceGiant, Pixabay