Huygens 'Beugungsprinzip

Huygens Prinzip der Wellenanalyse hilft Ihnen, das zu verstehen Bewegungen von Wellen um Objekte. Das Verhalten von Wellen kann manchmal nicht intuitiv sein. Es ist leicht, sich Wellen so vorzustellen, als ob sie sich nur in einer geraden Linie bewegen, aber wir haben gute Beweise dafür, dass dies oft einfach nicht wahr ist.

Wenn zum Beispiel jemand schreit, breitet sich der Ton von dieser Person in alle Richtungen aus. Aber wenn sie in einer Küche mit nur einer Tür sind und schreien, geht die Welle, die zur Tür ins Esszimmer geht, durch diese Tür, aber der Rest des Geräusches trifft die Wand. Wenn das Esszimmer L-förmig ist und sich jemand in einem Wohnzimmer befindet, das sich um eine Ecke und durch eine andere Tür befindet, hört er immer noch den Schrei. Wenn sich das Geräusch von der Person, die schrie, in einer geraden Linie bewegen würde, wäre dies unmöglich, da sich das Geräusch nicht um die Ecke bewegen könnte.

Diese Frage wurde von Christiaan Huygens (1629-1695) angegangen, einem Mann, der auch für die Schaffung einiger der bekannt war

Das Huygens-Prinzip der Wellenanalyse besagt im Wesentlichen:

Jeder Punkt einer Wellenfront kann als Quelle von sekundären Wavelets betrachtet werden, die sich in alle Richtungen mit einer Geschwindigkeit ausbreiten, die der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen entspricht.

Dies bedeutet, dass Sie bei einer Welle die "Kante" der Welle so betrachten können, dass sie tatsächlich eine Reihe kreisförmiger Wellen erzeugt. Diese Wellen verbinden sich in den meisten Fällen, um die Ausbreitung fortzusetzen, aber in einigen Fällen gibt es signifikante beobachtbare Effekte. Die Wellenfront kann als Linie angesehen werden Tangente zu all diesen Kreiswellen.

Diese Ergebnisse können getrennt von den Maxwellschen Gleichungen erhalten werden, obwohl das Huygens-Prinzip (das zuerst auftrat) ein nützliches Modell ist und häufig für die Berechnung von Wellenphänomenen geeignet ist. Es ist faszinierend, dass Huygens 'Arbeit der von vorausging James Clerk Maxwell um etwa zwei Jahrhunderte und schien es dennoch zu antizipieren, ohne die solide theoretische Grundlage, die Maxwell lieferte. Ampere Gesetz und Faradaysches Gesetz sagen voraus, dass jeder Punkt in einer elektromagnetischen Welle als Quelle der anhaltenden Welle fungiert, was perfekt mit Huygens 'Analyse übereinstimmt.

Wenn Licht durch eine Öffnung (eine Öffnung innerhalb einer Barriere) geht, wird jeder Punkt der Lichtwelle innerhalb der Apertur kann als Erzeugung einer Kreiswelle angesehen werden, die sich von der Apertur nach außen ausbreitet Öffnung.

Die Apertur wird daher als Erzeugung einer neuen Wellenquelle behandelt, die sich in Form einer kreisförmigen Wellenfront ausbreitet. Das Zentrum der Wellenfront hat eine größere Intensität, wobei die Intensität nachlässt, wenn sich die Kanten nähern. Es erklärt das Beugung beobachtet, und warum das Licht durch eine Blende kein perfektes Bild der Blende auf einem Bildschirm erzeugt. Die Kanten "breiten sich nach diesem Prinzip aus".

Ein Beispiel für dieses Prinzip bei der Arbeit ist im Alltag üblich. Wenn sich jemand in einem anderen Raum befindet und zu Ihnen ruft, scheint das Geräusch von der Tür zu kommen (es sei denn, Sie haben sehr dünne Wände).

Die Gesetze von Betrachtung und Brechung können beide aus dem Huygensschen Prinzip abgeleitet werden. Punkte entlang der Wellenfront werden als Quellen entlang der Oberfläche des Brechungsmediums behandelt. An diesem Punkt biegt sich die gesamte Welle basierend auf dem neuen Medium.

Der Effekt sowohl der Reflexion als auch der Brechung besteht darin, die Richtung der unabhängigen Wellen zu ändern, die von den Punktquellen emittiert werden. Die Ergebnisse der strengen Berechnungen sind identisch mit denen, die aus Newtons geometrischer Optik (wie dem Snellschen Gesetz von) erhalten werden Brechung), die nach einem Teilchenprinzip des Lichts abgeleitet wurde - obwohl Newtons Methode in ihrer Erklärung weniger elegant ist Beugung.

Bearbeitet von Anne Marie Helmenstine, Ph. D.