Het diffractieprincipe van Huygens

Het Huygen-principe van golfanalyse helpt u de bewegingen van golven rond objecten te begrijpen. Het gedrag van golven kan soms contra-intuïtief zijn. Het is gemakkelijk om aan golven te denken alsof ze gewoon in een rechte lijn bewegen, maar we hebben goed bewijs dat dit vaak gewoon niet waar is.

Als iemand bijvoorbeeld roept, verspreidt het geluid zich in alle richtingen van die persoon. Maar als ze in een keuken zijn met slechts één deur en ze schreeuwen, gaat de golf naar de deur naar de eetkamer door die deur, maar de rest van het geluid raakt de muur. Als de eetkamer L-vormig is en iemand in een woonkamer is die zich om een ​​hoek bevindt en door een andere deur, dan zullen ze nog steeds het geschreeuw horen. Als het geluid in een rechte lijn zou bewegen van de persoon die schreeuwde, zou dit onmogelijk zijn, omdat het geluid niet de hoek om kon bewegen.

Deze vraag werd aangepakt door Christiaan Huygens (1629-1695), een man die ook bekend stond om het maken van enkele van de eerste mechanische klokken en zijn werk op dit gebied had invloed op Sir Isaac Newton toen hij zijn deeltjestheorie ontwikkelde..

De definitie van Huygens

Het Huygens principe van golfanalyse stelt in principe dat:

Elk punt van een golffront kan worden beschouwd als de bron van secundaire golfjes die zich in alle richtingen verspreiden met een snelheid gelijk aan de voortplantingssnelheid van de golven.

Wat dit betekent is dat wanneer je een golf hebt, je de "rand" van de golf kunt zien als het daadwerkelijk creëren van een reeks cirkelvormige golven. Deze golven combineren in de meeste gevallen samen om de voortplanting voort te zetten, maar in sommige gevallen zijn er aanzienlijke waarneembare effecten. Het golffront kan worden gezien als de lijn raaklijn naar al deze cirkelvormige golven.

Deze resultaten kunnen afzonderlijk van de vergelijkingen van Maxwell worden verkregen, hoewel het principe van Huygens (dat eerst kwam) een nuttig model is en vaak handig is voor het berekenen van golfverschijnselen. Het is intrigerend dat het werk van Huygens ongeveer twee eeuwen voorafging aan dat van James Clerk Maxwell, en toch leek te anticiperen, zonder de solide theoretische basis die Maxwell bood. De wet van Ampere en de wet van Faraday voorspellen dat elk punt in een elektromagnetische golf fungeert als een bron van de voortdurende golf, wat perfect in lijn is met de analyse van Huygens.

Huygens 'principe en diffractie

Wanneer licht door een opening gaat (een opening in een barrière), kan elk punt van de lichtgolf in de opening worden gezien als een cirkelvormige golf die zich vanuit de opening naar buiten voortplant.

De opening wordt daarom behandeld als het creëren van een nieuwe golfbron, die zich voortplant in de vorm van een cirkelvormig golffront. Het midden van het golffront heeft een grotere intensiteit, met een vervaging van intensiteit naarmate de randen worden benaderd. Het verklaart de waargenomen diffractie en waarom het licht door een diafragma geen perfect beeld van het diafragma op een scherm creëert. De randen "spreiden" op basis van dit principe.

Een voorbeeld van dit principe op het werk is gebruikelijk in het dagelijks leven. Als iemand in een andere kamer is en naar je toe roept, lijkt het geluid uit de deuropening te komen (tenzij je hele dunne muren hebt).

Huygens 'principe en reflectie / breking

De wetten van reflectie en breking kunnen beide worden afgeleid van het principe van Huygens. Punten langs het golffront worden behandeld als bronnen langs het oppervlak van het brekingsmedium, op welk punt de totale golf buigt op basis van het nieuwe medium.

Het effect van zowel reflectie als breking is het veranderen van de richting van de onafhankelijke golven die worden uitgezonden door de puntbronnen. De resultaten van de rigoureuze berekeningen zijn identiek aan wat wordt verkregen uit de geometrische optica van Newton (zoals de brekingswet van Snell), die werd afgeleid volgens een deeltjesprincipe van licht - hoewel de methode van Newton minder elegant is in de uitleg van diffractie.

Uitgegeven door Anne Marie Helmenstine, Ph.D.