全反射が空気から水には起こらない理由とその物理的解説

光の全反射は、特に異なる媒質間で起こる現象で、光が進行する角度や媒質の屈折率に依存します。この質問では、なぜ空気から水中へ光が進入する場合に全反射が起こらないのか、また光の入射角を90°に近づけた場合に何が起こるのかについて解説します。

1. 全反射とは？

全反射は、光が屈折率の異なる2つの媒質の境界に達したときに、光が全て反射し、屈折せずに戻る現象です。通常、この現象は光が光密度の高い媒質から低い媒質へ進行する際に起こります。全反射が起こるためには、光の入射角がある閾値、すなわち臨界角を超える必要があります。

2. なぜ空気から水に光を通すと全反射が起きないのか？

空気と水の屈折率は異なり、空気は約1.0003、水は約1.33です。光が空気から水に進む場合、光は屈折し水中に進行します。屈折角はスネルの法則に従い、空気から水への進行では通常、全反射が起こるような条件に達しません。水から空気に光が進む場合に比べ、光の進行角度がより浅くなるため、全反射が発生するための条件には達しません。

3. 入射角を90°に近づけるとどうなるか？

光の入射角が90°に近づく場合、光が水面に平行に進むことになります。この角度に達すると、臨界角に到達し、屈折ではなく全反射が発生します。臨界角は屈折率の比に基づいて計算され、この場合水から空気に向かう光が全反射します。具体的には、屈折率が1.33（水）から1.0003（空気）の比を使用して臨界角を計算することができます。

4. 臨界角の計算方法

臨界角（θc）は、次の式で計算できます：
θc = sin^-1(n₂/n₁)
ここで、n₁は水の屈折率（1.33）、n₂は空気の屈折率（1.0003）です。計算すると、臨界角はおおよそ48.6°となり、この角度を超えると全反射が起こります。

5. まとめ

空気から水に進む場合、全反射が発生することはないのは、光の進行方向が屈折し、水に進行するためです。光の入射角が臨界角を超えると、全反射が発生します。入射角を90°に近づけると、屈折ではなく全反射が起こる条件に達するため、臨界角を超えた場合に光は反射することになります。