Huygenso difrakcijos principas

Arne Nordmann / Wikimedia Commons / CCJ

Huygeno bangų analizės principas padeda suprasti bangų judesiai aplink objektus. Bangų elgesys kartais gali būti priešingas. Lengva galvoti apie bangas taip, tarsi jos judėtų tiesia linija, tačiau turime gerų įrodymų, kad tai dažnai tiesiog netiesa.

Pavyzdžiui, jei kas nors šaukia, garsas iš to žmogaus sklinda į visas puses. Bet jei jie yra virtuvėje su tik vienomis durimis ir šaukia, banga, einanti link durų į valgomąjį, praeina pro tas duris, bet likęs garsas atsitrenkia į sieną. Jei valgomasis yra L formos, o kažkas yra svetainėje, kuri yra už kampo ir pro kitas duris, jie vis tiek išgirs šauksmą. Jei garsas sklistų tiesia linija nuo šaukusio asmens, tai būtų neįmanoma, nes garsas negalėtų judėti už kampo.

Šį klausimą sprendė Christiaan Huygens (1629-1695), žmogus, kuris taip pat buvo žinomas dėl kai kurių pirmieji mechaniniai laikrodžiai ir jo darbas šioje srityje turėjo įtakos Seras Izaokas Niutonas kaip jis sukūrė savo dalelių šviesos teoriją.

Huygenso principo apibrėžimas

Huygenso bangų analizės principas iš esmės teigia, kad:

Kiekvienas bangos fronto taškas gali būti laikomas antrinių bangelių, kurios plinta visomis kryptimis greičiu, lygiu bangų sklidimo greičiui, šaltiniu.

Tai reiškia, kad kai turite bangą, galite matyti, kad bangos „kraštas“ iš tikrųjų sukuria apskritų bangų seriją. Šios bangos daugeliu atvejų susijungia, kad tik tęstų sklidimą, tačiau kai kuriais atvejais pastebimas reikšmingas poveikis. Bangos frontą galima žiūrėti kaip liniją liestinė visoms šioms apskritoms bangoms.

Šiuos rezultatus galima gauti atskirai nuo Maksvelo lygčių, nors Huygenso principas (kuris buvo pirmasis) yra naudingas modelis ir dažnai patogus skaičiuojant bangų reiškinius. Įdomu tai, kad Huygenso darbas buvo ankstesnis Jamesas Clerkas Maxwellas maždaug per du šimtmečius, tačiau atrodė, kad tai numatė, neturėdamas tvirto teorinio pagrindo, kurį pateikė Maksvelas. Ampero dėsnis ir Faradėjaus dėsnis prognozuoti, kad kiekvienas elektromagnetinės bangos taškas veikia kaip besitęsiančios bangos šaltinis, o tai puikiai atitinka Huygenso analizę.

Huygenso principas ir difrakcija

Kai šviesa praeina per apertūrą (angą barjere), kiekvienas šviesos bangos taškas angoje gali būti vertinamas kaip sukuriantis apskritą bangą, kuri sklinda iš apertūros.

Todėl diafragma traktuojama kaip sukuriantis naują bangos šaltinį, kuris sklinda apskrito bangos fronto pavidalu. Bangos fronto centras turi didesnį intensyvumą, o intensyvumas mažėja artėjant prie kraštų. Tai paaiškina difrakcija pastebėta, ir kodėl šviesa per apertūrą nesukuria tobulo diafragmos vaizdo ekrane. Pagal šį principą kraštai „išsiskleidžia“.

Šio principo pavyzdys darbe yra įprastas kasdieniame gyvenime. Jei kas nors yra kitame kambaryje ir skambina link jūsų, atrodo, kad garsas sklinda iš durų (nebent turite labai plonas sienas).

Huygenso principas ir atspindys / refrakcija

Įstatymai atspindys ir refrakcija gali būti išvestos iš Huygenso principo. Taškai išilgai bangos fronto yra traktuojami kaip šaltiniai išilgai laužiančios terpės paviršiaus, o tada bendra banga pasislenka pagal naują terpę.

Ir atspindžio, ir lūžio poveikis keičia nepriklausomų bangų, kurias skleidžia taškiniai šaltiniai, kryptį. Griežtų skaičiavimų rezultatai yra identiški tiems, kurie gaunami iš Niutono geometrinės optikos (pvz., Snello lūžio dėsnio), kuris buvo gautas pagal dalelių šviesos principą, nors Niutono metodas yra ne toks elegantiškas difrakcijos paaiškinime.

RedaguotaAnne Marie Helmenstine, mokslų daktarė.