●屈折【くっせつ】

一般に波が進んでいって異種媒質の中に入り込む場合に，その境界面で進行方向が変化する現象をいう。光，音，電波などは屈折現象を示す。水中の物体が大きく見えたり，近くに見えたりするのは，光が水と空気の境界面で屈折するためである。2つの等方性媒質の間での屈折には，(1) 入射光線と屈折光線とは同じ平面内にあり，(2) 入射角 i と屈折角 r との間には sin i/ sin r＝一定 ，というスネルの法則が成り立つ。

［名］(スル)
１ 折れ曲がること。
「畑から畑を継いでは幾十度の―をなしつつ」〈長塚・土〉
２ 物の考え方やその表現などが素直でなく、わかりにくいところがあること。「屈折した心理」「屈折した表現」
３ 光や音などの波動が、ある媒質から他の媒質に進むとき、その境界面で進行方向を変えること。

二つの媒質の境界面が波長に比べて滑らかな場合，一方の媒質からこの境界面へ入射した波は，その一部が反射され，残りが他方の媒質へ透過する。このとき，透過波の進行方向が入射波の進行方向からかたよる現象を屈折という。光，音，あるいは電波などすべての波動について見られる現象である。　図1のように媒質Iから境界面へ波面AA′A″をもった波が入射した場合を考える。境界面上の点BB′B″などは入射波によって振動し，媒質IIへ伝わる波の波源となる。

屈折率の異なる二つの媒質の境界面に光、電波、音波などの波動が入射して第2媒質に進むとき、進行方向が変わる現象。図に示すように、境界面の法線HOH′と入射波の進行方向AOとのなす角θ₁を入射角、また屈折波の進行方向OA′とのなす角θ₂を屈折角とよび、θ₁とθ₂との間にはスネルの法則（屈折の法則）sinθ₁/sinθ₂＝n₂/n₁（n₂、n₁はそれぞれ第2、第1媒質の屈折率）が成立する。

　ニュートンは光を粒子と考えるモデルで屈折現象の説明を行った。すなわちn₂＞n₁のとき、|v₂|＞|v₁|（|v₂|、|v₁|はそれぞれ第2、第1媒質中の光の伝播(でんぱ)速度の大きさ）で、速度ベクトルv₁、v₂の境界面内の分速度の大きさが等しくなる、すなわちsinθ₁/sinθ₂＝|v₂|/|v₁|の関係が成立するとした。この取扱いは、のちに、屈折率の高い媒質を伝わる光ほどその伝播速度が小さいことが実験的に確かめられ、誤りが明白になった。ホイヘンスは光を波動と考え、二次波の概念を使って光の反射、屈折を明確に説明した。なお現在では、光、音波などの波動のほかに電子のような粒子の屈折に対してもスネルの法則が成立することが知られており、この場合、先に述べた速度ベクトルv₁、v₂のかわりに速度に逆比例、したがって屈折率に比例する波数ベクトルとよばれる量k₁、k₂を用いsinθ₁/sinθ₂＝|k₂|/|k₁|の形で共通的に表示される。

　境界面が平面でない場合も、波動が入射する各点でスネルの法則が成立するとすれば、レンズなどの球面による屈折を取り扱うことができる。物質の屈折率は普通、波長の増大とともに減少するので、プリズムに白色光を入射すると、境界面二つを屈折してプリズム外へ出る光は波長の短い成分ほど大きく向きを変え、白色光は分散されてスペクトルに分かれる。図で波動の進行方向を逆にとり、屈折率の高い媒質から低い媒質へ伝播する場合を考えると、スネルの法則によって屈折角（この場合θ₁）のほうが入射角（θ₂）より大きくなる。

　ここで入射角をしだいに大きくしていくと屈折角は90度になり、さらにこれ以上の入射角では屈折波が存在せず、入射波は境界面で100％反射されるようになる。この現象は全反射とよばれ、屈折角が90度のときの入射角を全反射の臨界角という。電波、光、X線などの電磁波は、音波と異なり波の振動方向が伝播方向に垂直な横波である。そのため、図の紙面内で振動する波と紙面に垂直方向に振動する波とではようすが異なり、屈折波の振幅の大きさに相違が生じる。自然光を入射した場合、屈折波は部分的に偏光する。これまでは均質な媒質二つの境界面での屈折を考えたが、屈折率が連続的に変化するような媒質中を波動が伝播する場合は、波動の進行方向も連続的に変化することになる。

　また屈折率に異方性をもつ結晶のような媒質に光が入射する場合は、一般に屈折光は進行方向が異なる二つの成分に分かれ、複屈折とよばれる現象を示す。吸収を伴う媒質に光が入射する場合は、屈折率として、吸収も考慮に入れた複素数で表される複素屈折率とよばれる量を用いれば、形式的にはスネルの法則がそのまま満足される。しかしこの場合は、θ₂も複素数になり、もはや屈折角の意味はもたない。

［田中俊一］