運動会の台風の目で光の屈折がわかる！全反射の不思議を解き明かす（ホイヘンスの原理）
サイエンストレーナーの桑子研です。毎日が実験。
「先生、なぜ全反射は空気から水ではおきないのですか？」
ある日、生徒のノートの隅にこんな質問が書かれていました。一見シンプルに見えて、実はとても深い問いかけです。この質問をきっかけに、光の不思議な性質を一緒に探ってみましょう。
空気から水へ、水から空気へ 光の進み方はどう違う？
光が空気から水に入射したとき、反射と屈折が同時に起こり、どんな角度でも光は水の中に入っていきます。
ところが、水から空気へ光を入射してみると、話は変わります。ある角度（臨界角）以上になると、光は水の外にまったく出られなくなります。これが「全反射」という現象です。
なぜ空気→水では全反射が起きないのに、水→空気では起きるのでしょうか？これはある意味、「光にはそういう性質がある」としか言いようのない、奥深い問いでもあります。ただし、「ホイヘンスの原理」を使うと、とてもわかりやすく説明することができます。
運動会の「台風の目」で考える ホイヘンスの原理
ホイヘンスの原理とは、光（や波）の進み方を、波面の各点から生まれる小さな波（素元波）の集まりとして考える原理です。高校物理でも登場するこの考え方を、もっと身近なたとえで説明してみましょう。まさに運動会の種目「台風の目」がぴったりのたとえです。数人で棒を持ってポールを回って戻ってくるあの競技です。
２人の人形が棒を持って走っています。ポールを回るとき、内側の人が足を遅くし、外側の人のスピードが変わらないと、棒はくるっと回転します。つまり、足の速さが異なると、棒はまっすぐ進まずに曲がるのです。
光もまったく同じ仕組みです。空気の中など、同じ媒質の中では、光は波面に対して垂直にまっすぐ進みます。
ところが光が水面に差しかかると、水に入った側の光の速度が小さくなります（台風の目で言えば、内側の人が足を遅くした状態）。すると、波面が曲がり、光の進む方向も変わるのです。これが「屈折」の正体です。
全反射のひみつ 水→空気だけで起きる理由
ここで元の質問に戻りましょう。空気から水に進む光は、水に入ると速度が「遅く」なります。棒（波面）はポール側（水側）に曲がり、光は屈折しながらも必ず水の中へ進んでいきます。どんな角度でも、光は必ず水中に入れるのです。一方、水から空気に進む光は、空気に出ると速度が「速く」なります。棒（波面）は外側（空気側）に曲がろうとしますが、入射角が大きくなりすぎると、屈折した光が水面に沿う方向（90°）を超えてしまいます。これ以上は物理的に光が外に出ることができなくなり、すべての光が水面で反射してしまう、これが全反射です。「速い媒質から遅い媒質へ」の場合は全反射は起きません。「遅い媒質から速い媒質へ」の場合にのみ、全反射が起きます。これが、空気→水では全反射が起きず、水→空気では起きる根本的な理由です。
シミュレーションで体験してみよう
言葉や図だけでは伝わりにくいところも、動きで見るとよくわかります。スクラッチでシミュレーション教材を作りましたので、ぜひ試してみてください。
実は全反射は、私たちの生活の中にも活かされています。光ファイバーケーブルはその代表例で、光が細いガラスの管の中で全反射を繰り返しながら遠くまで届くことで、インターネットや医療内視鏡などを支えています。ノートの隅の小さな疑問が、現代技術の根幹につながっているとしたら、理科ってなかなか面白いものだと思いませんか？
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