Huygens princip för diffraktion

Huygens princip om våganalys hjälper dig att förstå rörelser av vågor runt föremål. Vågens beteende kan ibland vara motsatt. Det är lätt att tänka på vågor som om de bara rör sig i en rak linje, men vi har goda bevis på att detta ofta helt enkelt inte är sant.

Till exempel, om någon ropar, sprids ljudet i alla riktningar från den personen. Men om de är i ett kök med bara en dörr och de ropar, går vågen mot dörren in i matsalen genom den dörren, men resten av ljudet träffar väggen. Om matsalen är L-formad, och någon är i ett vardagsrum som är runt ett hörn och genom en annan dörr, kommer de fortfarande att höra ropet. Om ljudet rör sig i en rak linje från personen som ropade, skulle detta vara omöjligt eftersom det inte finns något sätt för ljudet att röra sig runt hörnet.

Denna fråga hanterades av Christiaan Huygens (1629-1695), en man som också var känd för skapandet av några av första mekaniska klockor och hans arbete på detta område påverkade Sir Isaac Newton när han utvecklade sin partikelteori om ljus.

Huygens princip om våganalys säger i princip att:

Varje punkt på en vågfront kan betraktas som källan till sekundära vågor som sprids ut i alla riktningar med en hastighet som är lika med vågens utbredningshastighet.

Vad detta betyder är att när du har en våg kan du se "kant" på vågen som faktiskt skapar en serie cirkulära vågor. Dessa vågor kombineras i de flesta fall för att bara fortsätta förökningen, men i vissa fall finns det betydande observerbara effekter. Vågfronten kan ses som linjen tangent till alla dessa cirkulära vågor.

Dessa resultat kan erhållas separat från Maxwells ekvationer, även om Huygens princip (som kom först) är en användbar modell och ofta är bekväm för beräkningar av vågfenomen. Det är spännande att Huygens arbete föregick det James Clerk Maxwell ungefär två århundraden, men tycktes ändå förutse det, utan den solida teoretiska grund som Maxwell gav. Amperes lag och Faradays lag förutsäga att varje punkt i en elektromagnetisk våg fungerar som en källa till den fortsatta vågen, vilket är perfekt i linje med Huygens analys.

När ljus går igenom en bländare (en öppning inom en barriär), varje punkt i ljusvågen inom öppningen kan ses som att skapa en cirkulär våg som sprider sig utåt från öppning.

Bländaren behandlas därför som att skapa en ny vågkälla, som sprider sig i form av en cirkulär vågfront. Vågfrontens centrum har större intensitet, med en blekning av intensiteten när kanterna närmar sig. Det förklarar diffraktion observerats, och varför ljuset genom en bländare inte skapar en perfekt bild av bländaren på en skärm. Kanterna "sprids ut" baserat på denna princip.

Ett exempel på denna princip på jobbet är vanligt i vardagen. Om någon är i ett annat rum och ringer mot dig verkar ljudet komma från dörren (om du inte har väldigt tunna väggar).

Lagarna i reflexion och brytning kan båda härledas från Huygens princip. Punkter längs vågfronten behandlas som källor längs brytningsmediets yta, vid vilken punkt den totala vågen böjs baserat på det nya mediet.

Effekten av både reflektion och brytning är att ändra riktningen för de oberoende vågorna som avges från punktkällorna. Resultaten av de stränga beräkningarna är identiska med vad som erhålls från Newtons geometriska optik (som Snells lag av brytning), som härleddes enligt en partikelprincip av ljus - även om Newtons metod är mindre elegant i sin förklaring av diffraktion.

Redigerad av Anne Marie Helmenstine, Ph.D.