ホイヘンスの波動解析の原理は、物体の周りの波の動きを理解するのに役立ちます。波の振る舞いは、直感に反することがあります。波が直線的に移動するかのように考えるのは簡単ですが、これが真実では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。叫んだ人から音が一直線に進んでいる場合、音が角を曲がって移動する方法がないため、これは不可能です。
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) でした。ホイヘンスは最初の機械式時計のいくつかを作成したことでも知られており、この分野での彼の研究はアイザック ニュートン卿に影響を与え、彼は光の粒子理論を発展させました。 .
ホイヘンスの原理の定義
ホイヘンスの波動解析の原理は、基本的に次のように述べています。
波面のすべてのポイントは、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波の伝播速度に等しい速度で全方向に。
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 接線 として見ることができます 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。ホイヘンスの研究がジェイムズ・クラーク・マクスウェルの研究よりも約 2 世紀先行していたにもかかわらず、マクスウェルが提供した確固たる理論的根拠がなくても、ホイヘンスの研究がそれを予期していたように見えたのは興味深いことです。アンペールの法則とファラデーの法則は、電磁波のすべての点が連続波の源として作用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。観測された回折と、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。この原則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聞こえ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
反射と屈折の法則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、その点で波全体が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、光の粒子原理に基づいて導出された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。
Anne Marie Helmenstine 博士が編集
