Principio di diffrazione di Huygens

Il principio di Huygen di analisi delle onde ti aiuta a capire movimenti delle onde intorno agli oggetti. Il comportamento delle onde può talvolta essere controintuitivo. È facile pensare alle onde come se si muovessero semplicemente in linea retta, ma abbiamo buone prove che spesso ciò non è vero.

Ad esempio, se qualcuno grida, il suono si diffonde in tutte le direzioni da quella persona. Ma se sono in una cucina con una sola porta e gridano, l'onda che si dirige verso la porta della sala da pranzo attraversa quella porta, ma il resto del suono colpisce il muro. Se la sala da pranzo è a forma di L, e qualcuno è in un salotto che è dietro un angolo e attraverso un'altra porta, sentiranno comunque l'urlo. Se il suono si muoveva in linea retta dalla persona che urlava, ciò sarebbe impossibile perché non ci sarebbe modo per il suono di muoversi dietro l'angolo.

Questa domanda fu affrontata da Christiaan Huygens (1629-1695), un uomo che era anche noto per la creazione di alcuni dei primi orologi meccanici

Il principio di analisi delle onde di Huygens afferma sostanzialmente che:

Ogni punto di un fronte d'onda può essere considerato la fonte di onde secondarie che si estendono in tutte le direzioni con una velocità pari alla velocità di propagazione delle onde.

Ciò significa che quando si dispone di un'onda, è possibile visualizzare il "bordo" dell'onda come in realtà creando una serie di onde circolari. Queste onde si combinano insieme nella maggior parte dei casi per continuare la propagazione, ma in alcuni casi ci sono effetti osservabili significativi. Il fronte d'onda può essere visto come la linea tangente a tutte queste onde circolari.

Questi risultati possono essere ottenuti separatamente dalle equazioni di Maxwell, sebbene il principio di Huygens (che è venuto per primo) sia un modello utile ed è spesso conveniente per i calcoli dei fenomeni ondulatori. È interessante che il lavoro di Huygens abbia preceduto quello di James Clerk Maxwell di circa due secoli, eppure sembrava anticiparlo, senza le solide basi teoriche fornite da Maxwell. Legge di Ampere e Legge di Faraday prevedere che ogni punto di un'onda elettromagnetica agisce come una fonte dell'onda continua, che è perfettamente in linea con l'analisi di Huygens.

Quando la luce attraversa un'apertura (un'apertura all'interno di una barriera), ogni punto dell'onda luminosa all'interno dell'apertura può essere visto come la creazione di un'onda circolare che si propaga verso l'esterno dal apertura.

L'apertura, quindi, viene trattata come la creazione di una nuova sorgente d'onda, che si propaga sotto forma di un fronte d'onda circolare. Il centro del fronte d'onda ha una maggiore intensità, con una dissolvenza dell'intensità man mano che i bordi si avvicinano. Spiega il diffrazione osservato e perché la luce attraverso un'apertura non crea un'immagine perfetta dell'apertura su uno schermo. I bordi "sparsi" in base a questo principio.

Un esempio di questo principio sul lavoro è comune nella vita di tutti i giorni. Se qualcuno è in un'altra stanza e chiama verso di te, il suono sembra provenire dalla porta (a meno che tu non abbia pareti molto sottili).

Le leggi di riflessione e la rifrazione può essere entrambe derivata dal principio di Huygens. I punti lungo il fronte d'onda sono trattati come sorgenti lungo la superficie del mezzo di rifrazione, a quel punto l'onda complessiva si piega in base al nuovo mezzo.

L'effetto sia della riflessione che della rifrazione è di cambiare la direzione delle onde indipendenti emesse dalle sorgenti puntiformi. I risultati dei rigorosi calcoli sono identici a quelli ottenuti dall'ottica geometrica di Newton (come la legge di Snell di rifrazione), che derivava da un principio particellare di luce, sebbene il metodo di Newton sia meno elegante nella sua spiegazione diffrazione.

A cura di Anne Marie Helmenstine, Ph. D.