水面に板を立て、狭いすき間を通して波を送ると、すき間の先で波が広がる様子を観察できます。板の真正面だけを進むなら波が届かないはずの場所にも、波が回り込みます。このような波の性質が回折です。
光の直進を学ぶと、壁の後ろには影ができると考えます。では、波が回り込む説明とは矛盾するのでしょうか。ここでは、すき間の大きさと波長を比べることが手がかりになります。「全部まっすぐ」「全部同じだけ曲がる」と二択にせず、どの条件の現象を扱っているかを確かめましょう。
波の山を結ぶ線で、広がりを見る
水面の波を上から描く場合、山の位置を線で表すことがあります。平行な線が並んでいれば、山が順に同じ向きへ進む波の模型です。狭い開口を通った後の線が弧を描いていれば、波がさまざまな方向へ広がることを示しています。
この線は、水の粒がその曲線に沿って泳いだ軌跡ではありません。ある時刻の波の山の並びです。水そのものの移動と、波という変化の伝わり方を分けます。図の弧を見て「水が必ず半円の道を進んだ」と説明すると、波面の読み方を取り違えます。
すき間の幅だけで、回り込みを決めない
すき間が狭いか広いかは、波長との関係で考えます。波長は、隣り合う山と山の間の距離です。同じ幅のすき間でも、波長が違えば回り込みの目立ち方が変わります。幅が波長と同じ程度かそれより小さい場合には、先で広がる様子が目立ちます。
一方、幅が波長に比べて非常に大きいと、開口の中央付近では直進するような部分が大きくなり、回り込みは相対的に目立ちにくくなります。ここで「回折が完全になくなる」とは言いません。見え方の違いを比べる話であり、現象の有無を単純に区切る境界ではないからです。
例題1｜同じ波で、すき間の幅を変える
波長2cmの水面波を、幅2cmのすき間Aと幅20cmのすき間Bへそれぞれ送る模型を考えます。水深や波の周期など、すき間以外の条件は同じです。幅はそれぞれ波長の何倍ですか。開口後の広がりが相対的に目立つのはどちらですか。
答え・解説： Aは2÷2＝1倍、Bは20÷2＝10倍です。Aの方が、波長に対してすき間が狭く、回り込みが目立つと考えられます。「幅2cmなら常にこうなる」という数字の暗記ではなく、波長2cmとの比で判断します。
例題2｜幅が同じでも、波長が変わると？
幅6cmのすき間に、波長1cmの波Pと、波長3cmの波Qを別々に送ります。Pでは幅は波長の何倍、Qでは何倍ですか。どちらの方が回折による広がりを考えやすい条件か答えてください。二つの波の振幅は同じとします。
答え・解説： Pでは6倍、Qでは2倍です。Qの方が幅に対して波長が長く、回り込みが相対的に目立つ条件です。大きな振幅だから回り込む、という判断ではありません。振幅は波の高さに関わる量、波長は山と山の間隔なので、別の目盛りとして読みます。
反射や屈折とは、何が違う？
反射では波が境界で戻ることに注目します。屈折では、伝わる速さの違う場所へ進むときなどに向きが変わることを扱います。回折では、障害物の端や開口の先へ波が回り込む性質に注目します。「曲がったように見える」という共通点だけで、全部を屈折と呼ばないようにしましょう。
実験の図を読むときは、波が何に出会ったかを確認します。深さの違う水域へ入ったのか、壁にぶつかったのか、壁のすき間を通ったのか。境界や障害物の描き方が、使う知識を選ぶ手がかりです。複数の現象が重なる場合もあるので、図が何を比べるために描かれたかも読みます。
音は回り込み、光にも回折はある
壁の陰から声が聞こえる場面には、音の回折が関係します。ただし、実際の室内では反射や壁を通して伝わる音などもあり、「聞こえたから回折だけ」とは断定できません。水面波の装置で一つの働きを取り出して考えることと、複雑な部屋を説明することは別です。
光も波なので回折しますが、可視光の波長は日常の開口の大きさに比べて非常に短く、光路を直線として扱える場面が多くあります。だから、ピンホールカメラの基本図では直進する線を使い、細かな穴の大きさによる像の広がりを調べる場面では波の性質も考えます。二つの説明は、扱う条件と細かさが異なるのです。
最後に、図の線に単位を添えましょう。横のすき間は何cm、山の間隔は何cm、山の高さは別の量。寸法の位置を区別してから比を出せば、「狭い」「長い」という言葉だけで迷わなくなります。波の新しい用語も、何と何を比べた結果なのかへ戻して理解してください。
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