屈折率：基礎と実例
屈折率とは
定義
屈折率は、光が媒質中をどのように伝播するかを表す無次元数である。空気などの他の媒質から物質に入射する際、光がどの程度遅くなり、方向が変わるかを示します。
光学における重要性
屈折率を理解することは、レンズ、プリズム、光ファイバーなどの光学機器を設計する上で不可欠です。屈折率は、光が異なる材料と相互作用する際の挙動を決定し、画像の鮮明さや光の透過率に影響を与えます。
屈折率に影響を与える要因
材料構成
異なる材料は、その屈折率に影響を与える独自の原子および分子構造を持っています。例えば、ガラスのような密度の高い材料は、空気のような密度の低い材料に比べて屈折率が高くなります。
光の波長
光の波長によって屈折率が変化することがあり、これは分散として知られている現象です。 この変化により、光の色によって曲がる量が異なるため、プリズムで白色光を色のスペクトルに分けることができます。
屈折率一覧表
先ほどの屈折率一覧表に挙げた物質を、物質の状態（液体、固体、気体など）ごとに分類した表です。
|
材質 |
物質の状態 |
屈折率 (n) |
|
真空 |
気体 |
1.0000 |
|
空気 |
気体 |
1.0003 |
|
水 |
液体 |
1.333 |
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グリセリン |
液体 |
1.473 |
|
エタノール |
液体 |
1.36 |
|
ベンゼン |
液体 |
1.50 |
|
水銀 |
液体（金属） |
1.71 |
|
ガラス（典型 |
固体 |
1.5 |
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石英 |
固体 |
1.544 |
|
サファイア |
ソリッド |
1.762 |
|
ポリカーボネート |
ソリッド（プラスチック） |
1.586 |
|
塩化ナトリウム |
固体 |
1.544 |
|
ルビー |
固体 |
1.76 |
|
ポリスチレン |
ソリッド（プラスチック） |
1.59 |
|
二酸化チタン(TiO₂) |
固体 |
2.4-2.7 |
|
硫化亜鉛（ZnS） |
固体 |
2.37 |
|
ダイヤモンド |
固体 |
2.42 |
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鉛ガラス（PbOガラス |
固体 |
1.7-2.0 |
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シリコン |
固体 |
3.42 |
|
ガリウムヒ素(GaAs) |
固体 |
3.3 |
詳しくはスタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ（SAM）をご覧ください。
結晶の屈折率
結晶の光学特性
結晶は、複屈折などの光学特性に寄与するユニークな屈折率を示します。 複屈折材料は、異なる軸に沿って異なる屈折率を有し、光が異なる経路を持つ2つのビームに分割する原因となります。
技術への応用
特定の屈折率を持つ結晶は、レーザー、光ファイバー、精密機器など、様々な技術に不可欠であり、光を正確に操作する能力を持つことから、これらの用途で性能を高めるために重宝されている。
ガラスの屈折率
ガラスの種類
ガラスには様々な種類があり、それぞれに屈折率の範囲があります。 一般的な種類は以下の通りです：
- クラウンガラス：クラウンガラス：屈折率1.52前後
- フリントガラス屈折率1.62前後
- ホウケイ酸ガラス：屈折率1.47前後
光学デバイスへの影響
ガラスの屈折率は光学機器の設計や機能に影響を与える。屈折率が高いほど、光を曲げる能力の高いレンズを薄くすることができ、カメラ、顕微鏡、眼鏡などの機器の効率とコンパクト性が向上します。
よくある質問
ダイヤモンドの屈折率とは何ですか？
ダイヤモンドの屈折率は約2.42で、自然界に存在する物質の中で最も高い屈折率を示し、これがダイヤモンドの輝きの一因となっています。
屈折率はレンズ設計にどのような影響を与えますか？
屈折率が高いと、光を効率よく曲げる能力を維持したままレンズを薄く軽くすることができ、光学性能を高めることができます。
屈折率は温度によって変化しますか？
はい、屈折率は温度によって変化し、光の伝わり方に影響を与え、光学デバイスの性能を変化させる可能性があります。
結晶の複屈折とは何ですか？
複屈折とは、結晶中の屈折率が異なる軸に沿って異なることで、入射光が速度と経路の異なる2つの別々のビームに分かれることです。
なぜガラスは光学機器によく使われるのですか？
ガラスは適切な範囲の屈折率を持ち、透明で製造が容易なため、レンズやプリズムなど光学機器の部品として理想的です。
