回折

波の回折現象：その原理と応用

はじめに

波は障害物の背後にも回り込む性質を持ちます。この現象を回折と呼びます。1665年にグリマルディによって初めて報告された回折は、音波、水波、電磁波など、あらゆる波に共通して見られる現象です。波長が長いほど、障害物の回り込みが大きくなります。

回折のメカニズム

回折は、波が障害物に当たった際に、波の進行方向が変化する現象です。これはホイヘンス＝フレネルの原理によって説明されます。この原理では、波面上の各点が新しい波源となり、それらの波が干渉することで回折パターンが形成されるとされています。

回折と干渉

単色光を狭いスリットに通してスクリーンに投影すると、幾何光学的な影の範囲を超えて光が広がる回折現象が見られます。スリットが複数の場合や、スリットの幅が波長より大きい場合は、回折に加えて干渉現象も生じ、明暗の縞模様が観察されます。この縞模様は、光の波としての性質を明確に示しています。 この現象は、電子線や中性子線といった量子性を持つ粒子のビームでも確認されており、物質波の概念を裏付ける証拠となっています。

結晶構造解析への応用

結晶にX線、電子線、または中性子線を照射すると、結晶の原子配列によって回折パターンが形成されます。この回折パターンを解析することで、結晶の内部構造を明らかにすることができます。X線回折法、電子回折法、中性子回折法は、物質科学において重要な分析手法として確立されています。

写真撮影への影響

写真撮影において、絞りを絞りすぎると、光の回折によって画像がぼやける「小絞りボケ」という現象が発生します。これは、絞りの開口部が光の波長に比べて小さくなることで、回折の影響が顕著になるためです。

レーザー光の伝播

レーザー光は、伝播中に回折の影響を受けます。レーザーの出力ミラーの開口部がレーザー光の広がり方を決定します。開口部が小さいほど、光線は早く広がります。ダイオードレーザーがHe-Neレーザーよりも広がりやすいのはこのためです。しかし、凸レンズを用いてレーザー光を拡張し、その後平行光に戻すことで、回折による広がりを抑えることができます。

回折格子

回折格子は、多数の平行なスリットを規則的に配置したもので、特定の波長を選択的に回折させることができます。回折格子の構造と光の入射角によって回折光の角度が決まり、その関係は、明確な数式で表されます。これは回折と干渉の複合現象です。

回折限界

光学顕微鏡の分解能は、光の波長によって制限されます。アッベが示した回折限界は、光学顕微鏡の分解能を向上させる限界を示す式によって表されます。従来は200ナノメートルが限界とされてきましたが、近年では超解像顕微鏡の登場により、この限界を超える技術が開発されています。集積回路製造においても、ステッパーで使用される光源の波長、媒体の屈折率、開口数を最適化することで、微細化が実現しています。

回折の分類

回折は、障害物までの距離によって、フラウンホーファー回折（無限遠）とフレネル回折（有限距離）の2種類に分類されます。フラウンホーファー回折では、入射波と回折波を平面[[波]]として扱うことができます。一方、フレネル回折では、入射波と回折波のいずれか、あるいは両方が平面[[波]]として扱えません。

回折の理論

回折現象を記述する理論には、一回散乱のみを考慮した運動学的回折理論と、多重散乱を考慮した動力学的回折理論があります。X線や中性子回折では、散乱断面積が小さいため運動学的理論で十分ですが、電子回折では散乱断面積が大きいため、動力学的理論が必要となります。

工業製品への応用

回折現象は、様々な工業製品に応用されています。X線回折装置、X線残留応力測定装置、熱処理硬化層深さ測定装置、回折格子など、多くの製品で回折現象の原理が活用されています。

まとめ

回折は、波の普遍的な性質であり、様々な分野で重要な役割を果たしています。その原理の理解は、科学技術の発展に不可欠です。

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