ホイヘンスの回折原理

Arne Nordmann /ウィキメディア・コモンズ/ CCJ

ホイヘンスの波動解析の原理は、 波の動き オブジェクトの周り。波の振る舞いは、直感に反することがあります。波を直線的に移動するものと考えるのは簡単ですが、これが正しくないことが多いという十分な証拠があります。

たとえば、誰かが叫ぶと、その音はその人から全方向に広がります。しかし、ドアが 1 つしかないキッチンで大声を出すと、ドアに向かってダイニング ルームに向かう波はそのドアを通過しますが、残りの音は壁に当たります。ダイニング ルームが L 字型で、誰かが角を曲がったところにあるリビング ルームにいて、別のドアから入ってきた場合でも、叫び声が聞こえます。叫んだ人から一直線に音が伝わってくると、角を曲がった音は伝わらないのであり得ません。

この問題に取り組んだのは、クリスチャン ホイヘンス (1629-1695) です。 最初の機械式時計 この分野での彼の仕事は、 アイザック・ニュートン卿 彼が光の粒子理論を発展させたとき。

ホイヘンスの原理の定義

波動解析のホイヘンスの原理は、基本的に次のように述べています。

波面のすべての点は、波の伝搬速度に等しい速度ですべての方向に広がる二次ウェーブレットのソースと見なすことができます。

これが意味することは、波がある場合、波の「エッジ」が実際に一連の円形の波を作成していると見なすことができるということです。ほとんどの場合、これらの波は結合して伝播を続けますが、場合によっては、顕著な影響が観察されます。波面は線として見ることができます 正接 これらの円形の波のすべてに。

これらの結果は、マクスウェルの方程式とは別に得ることができますが、ホイヘンスの原理 (最初に登場した) は有用なモデルであり、波動現象の計算にはしばしば便利です。ホイヘンスの作品が ジェームズ・クラーク・マクスウェル マクスウェルが提供した確固たる理論的根拠なしに、それを予測しているように見えました。アンペアの法則と ファラデーの法則 電磁波のすべての点が連続波の発生源として機能することを予測しており、これはホイヘンスの分析と完全に一致しています。

ホイヘンスの原理と回折

光がアパーチャ (バリア内の開口部) を通過するとき、アパーチャ内の光波のすべてのポイントは、アパーチャから外側に伝搬する円形の波を作成していると見なすことができます。

したがって、アパーチャは、円形の波面の形で伝播する新しい波源を作成するものとして扱われます。波面の中心は強度が高く、端に近づくにつれて強度が弱くなります。それは説明します 回折 また、開口部を通過する光がスクリーン上に開口部の完全な画像を作成しない理由を説明します。この原理に基づいてエッジが「広がります」。

職場でのこの原則の例は、日常生活でよく見られます。誰かが別の部屋にいて、あなたに向かって電話をかけてきたら、その音は出入り口から来ているように見えます (壁が非常に薄い場合を除きます)。

ホイヘンスの原理と反射・屈折

の法則 反射 と屈折はどちらもホイヘンスの原理から導き出すことができます。波面に沿った点は、屈折媒体の表面に沿ったソースとして扱われ、その点で全体的な波は新しい媒体に基づいて曲がります。

反射と屈折の両方の効果は、点光源から放射される独立した波の方向を変えることです。厳密な計算の結果は、ニュートンの幾何光学 (スネルの屈折の法則など) から得られるものと同じであり、これは光の粒子原理に基づいて導き出されたものですが、ニュートンの方法は回折の説明においてあまり洗練されていません。

によって編集アン・マリー・ヘルメンスタイン博士