Huygens 'princip om diffraktion

Huygens princip om bølgenalyse hjælper dig med at forstå bevægelser af bølger omkring genstande. Bølgeres opførsel kan undertiden være modstridende. Det er let at tænke på bølger, som om de bare bevæger sig i en lige linje, men vi har gode beviser for, at dette ofte simpelthen ikke er sandt.

For eksempel, hvis nogen råber, spreder lyden sig i alle retninger fra den pågældende person. Men hvis de er i et køkken med kun en dør, og de råber, går bølgen, der går mod døren ind i spisestuen, gennem døren, men resten af ​​lyden rammer væggen. Hvis spisestuen er L-formet, og nogen er i en stue, der er rundt om et hjørne og gennem en anden dør, vil de stadig høre råbet. Hvis lyden bevægede sig i en lige linje fra den, der råbte, ville dette være umuligt, fordi der ikke var nogen måde for lyden at bevæge sig rundt om hjørnet.

Dette spørgsmål blev taklet af Christiaan Huygens (1629-1695), en mand, der også var kendt for oprettelsen af ​​nogle af første mekaniske ure og hans arbejde på dette område havde indflydelse på Sir Isaac Newton da han udviklede sin partikelteori om lys.

Huygens 'princip om bølgenalyse siger dybest set, at:

Hvert punkt på en bølgefront kan betragtes som kilden til sekundære bølger, der spreder sig i alle retninger med en hastighed, der svarer til bølgens udbredelseshastighed.

Hvad dette betyder er, at når du har en bølge, kan du se "kanten" af bølgen som faktisk skaber en række cirkulære bølger. Disse bølger kombineres i de fleste tilfælde for bare at fortsætte udbredelsen, men i nogle tilfælde er der betydelige observerbare effekter. Wavefront kan ses som linjen tangent til alle disse cirkulære bølger.

Disse resultater kan opnås separat fra Maxwells ligninger, skønt Huygens 'princip (som kom først) er en nyttig model og ofte er praktisk til beregning af bølgefenomener. Det er spændende, at Huygens 'arbejde foregik for den James Clerk Maxwell i omkring to århundreder, og alligevel syntes at foregribe det, uden det solide teoretiske grundlag, som Maxwell leverede. Ampere's lov og Faradays lov forudsige, at hvert punkt i en elektromagnetisk bølge fungerer som en kilde til den fortsatte bølge, hvilket er perfekt i tråd med Huygens 'analyse.

Når lys går gennem en blænde (en åbning inden for en barriere), er hvert punkt i lysbølgen inden i åbningen kan ses som at skabe en cirkulær bølge, der forplantes udad fra blænde.

Blænden bliver derfor behandlet som at skabe en ny bølgekilde, der forplantes i form af en cirkulær bølgefront. Centret af bølgefronten har større intensitet, med en fading af intensitet, når kanterne nærmer sig. Det forklarer diffraktion observeret, og hvorfor lyset gennem en blænde ikke skaber et perfekt billede af blænden på en skærm. Kanterne "spreder sig" ud fra dette princip.

Et eksempel på dette princip på arbejdet er almindeligt i hverdagen. Hvis nogen er i et andet rum og ringer mod dig, ser lyden ud til at komme fra døren (medmindre du har meget tynde vægge).

Lovene i afspejling og brydning kan begge stamme fra Huygens 'princip. Punkter langs bølgefronten behandles som kilder langs overfladen af ​​brydningsmediet, på hvilket tidspunkt den samlede bølge bøjer sig baseret på det nye medium.

Effekten af ​​både refleksion og brydning er at ændre retningen for de uafhængige bølger, der udsendes af punktkilderne. Resultaterne af de strenge beregninger er identiske med det, der opnås fra Newtons geometriske optik (såsom Snells lov om brydning), som blev afledt under et partikelprincip af lys - selvom Newtons metode er mindre elegant i sin forklaring af diffraktion.

Redigeret af Anne Marie Helmenstine, ph.d.