光は 電磁的な性質の放射線です。これは、図 01 に示すように 、電場 E と 磁場 B の振動によって形成されます。これらは互いに直交し、ポインティング ベクトル S によって与えられる伝播方向に対して直角に振動します。
電磁波の伝播のための電場と磁場のベクトル” src=”wp-content/uploads/2010/01/art32_fig01_dispersao_da_luz.JPG” width=”695″ height=” 354″ /> 図 01: 電磁波の伝播における、電界ベクトルと磁界ベクトルの関数としてのポインティング ベクトルの表現
これらの場の振動の各量子は、 光子 と 呼ばれます。これらの物理的実体は粒子とみなすことができますが、均質な媒質中の光の伝播を扱う場合には、その波の性質を考慮して光を扱うことが適切です。
真空中では、光は 3×10 8 m/s の速度で伝播します。一般に、他の媒体の方が屈折率が高く、つまり 屈折率 が高くなります。この指数は、真空中の 光速 c とこの媒質中の光速 v の関係で与えられ、次式が得られます。
n = c/v
たとえば、赤色のような長波長の場合、屈折率は青色よりもわずかに低くなります。
図 02 は、光が最初に伝播した媒体とは異なる媒体を透過したときに何が起こるかの例を示しています。
図 02: より大きな屈折率の媒体を透過する赤、緑、青の光線の表現
光は本来の速度とは異なる速度で伝播する ｃ．前述の式にあるように、屈折率が高くなると光の速度は遅くなります。 フェルマーの原理によれば、 光は費やす時間が最小限になるような経路を移動しようとします。同様に、 スネル・デカルトの法則 もあり、フェルマーの原理とは異なる方法で導出されますが、数学的には同じ結果になります。
n1.sinθ1 = n2.sinθ2
図 03: 白色光が平行面を持つ媒質を通過する際に被る偏差と、解析から中間色を破棄した青、緑、赤の光線のそれぞれの出現を表したもの
明らかに、波長ごとに偏差があり、特定の方程式が存在します。
赤の場合は n1.sinθ1 = n2.sinθ2
緑の場合は n1.sinθ1 = n3.sinθ3
青の場合は n1.sinθ1 = n4.sinθ4
プリズムによる白色光のさまざまな色への分解。
媒質 2 は媒質 1 よりも屈折率が高く、媒質 3 は媒質 1 と等しいと考えてみましょう。この場合、それぞれの波長を持つ特定の光線ごとにわずかに異なる偏差が発生することが観察されます。青は赤に比べて波長が短く、赤よりも大きなシフトを受けます。
媒質 2 と媒質 3 の間の 2 番目の境界面の表面が最初の境界面と平行な場合、光線は媒質 1 で伝播したのと同じ方向に再び伝播します。日常生活では、色の違いは観察されません。は非常に小さく、一般的に光線は太いです。
しかし、プリズムの場合のように、2 番目の界面が最初の界面と平行でない場合、図 04 に示すように、光の分散現象が明らかに発生します。
図 04: 屈折率が 1 より大きいプリズム (非平行面を持つレンズ) の表示。おそらく空気や真空などの媒質内で、屈折率は 1 です。
この実験は アイザック・ニュートン によって行われ、それぞれの結果は 1672 年に発表されました。
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参考文献:
デヴィッド・ハリデー、ロバート・クラーン、デネス・S.『物理学』4、第 2 巻、5 版、リオデジャネイロ、2004 年、392 ページ。
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