Huygens'sches Beugungsprinzip

Huygens Prinzip der Wellenanalyse hilft Ihnen dabei, die Bewegungen von Wellen um Objekte herum zu verstehen. Das Verhalten von Wellen kann manchmal nicht intuitiv sein. Es ist leicht, sich Wellen vorzustellen, als ob sie sich 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 sich in einer Küche mit nur einer Tür befinden und schreien, geht die Welle, die auf die Tür zum Esszimmer zusteuert, durch diese Tür, aber der Rest des Geräusches trifft die Wand. Wenn das Esszimmer L-förmig ist und sich jemand in einem Wohnzimmer um eine Ecke und durch eine andere Tür befindet, hört er immer noch das Rufen. Wenn sich das Geräusch in einer geraden Linie von der schreienden Person bewegen würde, wäre dies unmöglich, da es keine Möglichkeit für das Geräusch gibt, sich um die Ecke zu bewegen.

Mit dieser Frage beschäftigte sich Christiaan Huygens (1629-1695), der auch für die Herstellung einiger der ersten mechanischen Uhren bekannt war und dessen Arbeiten auf diesem Gebiet Sir Isaac Newton bei der Entwicklung seiner Partikeltheorie des Lichts beeinflussten.

Huygens 'Prinzipdefinition

Das Huygens'sche 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.

Das heißt, wenn Sie eine Welle haben, können Sie die "Kante" der Welle so betrachten, als würden Sie eine Reihe kreisförmiger Wellen erzeugen. Diese Wellen verbinden sich in den meisten Fällen, um nur die Ausbreitung fortzusetzen, aber in einigen Fällen gibt es signifikante beobachtbare Effekte. Die Wellenfront kann als Linie betrachtet werden Tangente zu all diesen kreisförmigen Wellen.

Diese Ergebnisse können getrennt von den Maxwell-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 'Werk dem von James Clerk Maxwell um etwa zwei Jahrhunderte vorausging und es dennoch zu antizipieren schien, ohne die solide theoretische Grundlage, die Maxwell zur Verfügung stellte. Das Ampere-Gesetz und das Faraday-Gesetz sagen voraus, dass jeder Punkt in einer elektromagnetischen Welle als Quelle der anhaltenden Welle fungiert, was perfekt mit Huygens 'Analyse übereinstimmt.

Huygens 'Prinzip und Beugung

Wenn Licht durch eine Apertur (eine Öffnung innerhalb einer Barriere) fällt, kann jeder Punkt der Lichtwelle innerhalb der Apertur als kreisförmige Welle angesehen werden, die sich von der Apertur nach außen ausbreitet.

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

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

Huygens'sches Prinzip und Reflexion / Brechung

Die Reflexions- und Brechungsgesetze können beide aus dem Huygensschen Prinzip abgeleitet werden. Punkte entlang der Wellenfront werden als Quellen entlang der Oberfläche des refraktiven Mediums behandelt, wobei sich die gesamte Welle basierend auf dem neuen Medium biegt.

Der Effekt von Reflexion und Brechung besteht darin, die Richtung der unabhängigen Wellen zu ändern, die von den Punktquellen emittiert werden. Die Ergebnisse der rigorosen Berechnungen stimmen mit den Ergebnissen der Newtonschen geometrischen Optik (wie dem Snellschen Brechungsgesetz) überein, die unter Verwendung eines Teilchenprinzips des Lichts abgeleitet wurde - obwohl Newtons Methode für die Erklärung der Beugung weniger elegant ist.

Herausgegeben von Anne Marie Helmenstine, Ph.D..