Huygens 'prinsipp for diffraksjon

Huygens prinsipp om bølgenalyse hjelper deg å forstå bevegelser av bølger rundt gjenstander. Oppførselen til bølger kan noen ganger være motsatt. Det er lett å tenke på bølger som om de bare beveger seg i en rett linje, men vi har gode bevis på at dette ofte rett og slett ikke er sant.

Hvis noen for eksempel roper, sprer lyden seg i alle retninger fra den personen. Men hvis de er på et kjøkken med bare en dør og roper, går bølgen mot døren inn i spisesalen gjennom den døren, men resten av lyden treffer veggen. Hvis spisesalen er L-formet, og noen er i en stue som er rundt et hjørne og gjennom en annen dør, vil de fortsatt høre ropet. Hvis lyden beveget seg i en rett linje fra personen som ropte, ville dette være umulig fordi det ikke ville være noen måte for lyden å bevege seg rundt hjørnet.

Dette spørsmålet ble taklet av Christiaan Huygens (1629-1695), en mann som også var kjent for opprettelsen av noen av første mekaniske klokker og arbeidet hans på dette området hadde innflytelse på Sir Isaac Newton da han utviklet sin partikkelteori om lys.

Huygens ’prinsipp for bølgenalyse sier i utgangspunktet at:

Hvert punkt på en bølgefront kan betraktes som kilden til sekundære bølger som sprer seg i alle retninger med en hastighet som tilsvarer bølgenes forplantningshastighet.

Hva dette betyr er at når du har en bølge, kan du se "kanten" av bølgen som faktisk skaper en serie med sirkulære bølger. Disse bølgene kombineres i de fleste tilfeller for bare å fortsette forplantningen, men i noen tilfeller er det betydelige observerbare effekter. Vågfronten kan sees på som linjen tangent til alle disse sirkulære bølgene.

Disse resultatene kan oppnås separat fra Maxwells ligninger, selv om Huygens prinsipp (som kom først) er en nyttig modell og ofte er praktisk for beregning av bølgefenomener. Det er spennende at Huygens arbeid gikk foran det James Clerk Maxwell i omtrent to århundrer, og likevel så ut til å forutse det, uten det solide teoretiske grunnlaget som Maxwell ga. Ampere lov og Faradays lov forutsi at hvert punkt i en elektromagnetisk bølge fungerer som en kilde til den fortsatte bølgen, noe som er perfekt i tråd med Huygens analyse.

Når lys går gjennom en blenderåpning (en åpning i en barriere), blir hvert punkt i lysbølgen i åpningen kan sees på som å skape en sirkulær bølge som forplanter seg utover fra åpning.

Blenderåpningen blir derfor behandlet som å lage en ny bølgekilde, som forplanter seg i form av en sirkulær bølgefront. Senteret av bølgefronten har større intensitet, med en falming av intensiteten når kantene nærmer seg. Det forklarer diffraksjon observert, og hvorfor lyset gjennom en blenderåpning ikke skaper et perfekt bilde av blenderåpningen på en skjerm. Kantene "spres ut" basert på dette prinsippet.

Et eksempel på dette prinsippet på jobb er vanlig i hverdagen. Hvis noen er i et annet rom og ringer mot deg, ser det ut til at lyden kommer fra døren (med mindre du har veldig tynne vegger).

Lovene til refleksjon og brytning kan begge være avledet av Huygens 'prinsipp. Punkter langs bølgefronten blir behandlet som kilder langs overflaten av brytningsmediet, på hvilket tidspunkt den totale bølgen bøyer seg basert på det nye mediet.

Effekten av både refleksjon og brytning er å endre retningen på de uavhengige bølgene som sendes ut fra punktkildene. Resultatene fra de strenge beregningene er identiske med det som er oppnådd fra Newtons geometriske optikk (for eksempel Snells lov om refraksjon), som ble avledet under et partikkelprinsipp av lys - selv om Newtons metode er mindre elegant i sin forklaring av diffraksjon.

Redigert av Anne Marie Helmenstine, ph.d.