物理 光の屈折 薬剤師国家試験対策

薬剤師国家試験対策

薬剤師国家試験対策として少しずつまとめていこうとおもいます!

私なりにまとめた物なので不備等あると思いますがあった場合はコメントなどで教えてくれると嬉しいです!

光の屈折

濃度の違いがある2種類の溶媒がある所に光を照射した場合にその濃度差によって境界面で屈折するのは生活の中で知ってると思います。

その中で一番有名なものがプリズムだと思います。プリズムは空気中という溶媒からプリズムという別の濃度の溶媒へ光を当てることによって光の方向が変わるというものです。

ではどのように光は屈折するのかというと、まず光も他の物質と同様に溶媒の濃度が薄いと進むのに邪魔するものが少ないので光はあまり減速しません。

溶媒が濃くなると光が進む際に邪魔するものが増えるので濃度が薄い時に比べてさらに減速することになってしまいます。

上記の減速に加えておさえておいて欲しいのが光は線に見えますがもっとミクロに見ると波長であることはしっかりおさえておくとこの後の屈折が分かってくると思います。

なぜ屈折するのか

上記で濃度によって光の進むスピードは変わる。光は波長である。という2点を踏まえて下の図を見てください。

光の屈折

波長の幅が変わってしまうと色などが変わってしまうので幅は変わらない前提ですが図で言う下の直線が先に境界面に到達するので先に減速しますが上の直線は境界面までまだ距離があるので速度は変わりません。

ちなみに速度が違うということだけ覚えればいいので実際の速度は覚えなくて大丈夫です。

この速度差が光を屈折させる原理となっています。

屈折率

まず光に関する用語の確認です。

入射角 反射角 屈折角

入射角の角度を「i」屈折角の角度を「r」と表した場合に屈折率「n」は下記式で表されます。

屈折率の式
屈折率nの式

n>1のときは入射角>屈折角となり、n<1のときは入射角<屈折角となります。

式は覚えられなくても上記の関係性はしっかり覚えてください。

角度と濃度差

入射角>屈折角=入射角側の濃度屈折角側の濃度

入射角<屈折角=入射角側の濃度屈折角側の濃度

行った先の濃度が濃いほど法線に近づいていくので角度差と濃度差は関係が逆になるのに注意してください。

ちなみに屈折率は温度、圧力、光の波長に影響を受ける数値ですがこれらを固定できれば屈折率は物質固定の値になるため日本薬局方にも用いられています。

日本薬局方における屈折率を求める際の条件

日本薬局方において、屈折率は空気に対する値で示し、通例、温度は20℃で、光線はナトリウムスペクトルのD線を用いて測定する。

上記の条件の特にナトリウムスペクトルのD線は度々国家試験で問われている部分であるのでしっかりおさえましょう。

全反射

屈折率(n)<1の時は入射角をどんどん大きくしていくと屈折角が入射角より先に界面に到達してしまいます。

界面に屈折光が到達した時の入射角の事を臨界角といいます。

臨界角
臨界角は直角になります。

入射角が臨界角となった状態よりさらに入射角を大きくすると界面で全ての光が反射します。これを全反射といいます。これはファイバースコープや光ファイバーなど様々な分野で使用されています。

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