Huygens' Diffraksjonsprinsipp

Arne Nordmann / Wikimedia Commons / CCJ

Huygens prinsipp for bølgeanalyse hjelper deg å forstå bevegelser av bølger rundt gjenstander. Oppførselen til bølger kan noen ganger være kontraintuitiv. 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 stemmer.

Hvis noen for eksempel roper, sprer lyden seg i alle retninger fra vedkommende. Men hvis de er på et kjøkken med bare én dør og de roper, går bølgen som går mot døren inn til spisestuen gjennom den døren, men resten av lyden treffer veggen. Hvis spisestuen 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 mulig for lyden å bevege seg rundt hjørnet.

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

Huygens prinsippdefinisjon

Huygens 'prinsipp for bølgeanalyse 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 lik bølgenes forplantningshastighet.

Hva dette betyr er at når du har en bølge, kan du se 'kanten' av bølgen som faktisk skaper en serie sirkulære bølger. Disse bølgene kombineres i de fleste tilfeller for å bare fortsette forplantningen, men i noen tilfeller er det betydelige observerbare effekter. Bølgefronten 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 beregninger av bølgefenomener. Det er spennende at Huygens' arbeid gikk foran det av James Clerk Maxwell med omtrent to århundrer, og likevel så det ut til å forutse det, uten det solide teoretiske grunnlaget som Maxwell ga. Amperes lov og Faradays lov forutsi at hvert punkt i en elektromagnetisk bølge fungerer som en kilde til den fortsettende bølgen, noe som er helt i tråd med Huygens' analyse.

Huygens' prinsipp og diffraksjon

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

Blenderåpningen blir derfor behandlet som å skape en ny bølgekilde, som forplanter seg i form av en sirkulær bølgefront. Sentrum 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 roper mot deg, ser det ut til at lyden kommer fra døråpningen (med mindre du har veldig tynne vegger).

Huygens' Prinsipp og Refleksjon/Refraksjon

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

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

Redigert avAnne Marie Helmenstine, Ph.D.