回折現象の物理的性質と応用

回折（かいせつ、英: diffraction）とは、媒質や空間を伝わる波が、障害物の背後など、幾何学的な直進経路からは到達できない領域に回り込んで伝わっていく現象を指します。この現象は、音波、水の波、電磁波（可視光やX線など）を含むあらゆる波において共通して見られます。

物理的背景

回折の度合いは、障害物の大きさに対する波長の比率に依存します。障害物に対して波長が大きいほど、回折角（背後に回り込む角度）は大きくなります。また、単色光を十分に狭いスリットに通すと、回折によって光の到達範囲が広がります。スリットが複数ある場合や、単一であっても波長に対してスリット幅が広い場合には、回折光同士の干渉により縞模様が形成されます。この現象は、電子線や中性子線といった量子性が顕著な粒子のビームにおいても確認されており、物質波としての性質を示しています。

分類

回折現象は、波源や観測点から障害物までの距離に応じて、主に以下の2種類に分類されます。

• フラウンホーファー回折：障害物から無限遠の距離にある場合。入射波と回折波を平面波として扱うことができます。
• フレネル回折：障害物から有限の距離にある場合。入射波や回折波を平面波として近似できない状態を指します。

回折格子と数理的記述

回折格子は、回折現象を可視化する代表的な光学素子です。回折光の強度は、格子の構造や数によって決まります。角度θmにおける強度の極大値は、以下の回折格子の方程式で表されます。

ここで、θ0は光の入射角、dは格子定数（格子成分同士の距離）、mは回折次数（正負の整数）、λは波長を表します。

回折限界と光学技術

光学顕微鏡などの結像系において、回折現象は分解能の限界を規定します。1873年、エルンスト・アッベは、光学顕微鏡の分解能が光の波長と開口数（NA）によって制限されることを示しました。

従来の幾何光学系では、この回折限界により分解能は約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技術の普及により、この限界を超える観察が可能になっています。

結晶構造解析への応用

X線、電子線、中性子線を用いた回折現象は、物質の結晶構造解析に不可欠です。得られた回折図形を解析することで、原子配列を特定できます。解析手法としては、散乱断面積が小さいX線や中性子線には「運動学的回折理論」が、散乱断面積が大きい電子線には「動力学的回折理論」が主に適用されます。