Принцип Гюйгенса-Френеля

Нагадаємо формулювання принципу Гюйгенса: кожна точка, залучена в хвильовий процес, є джерелом вторинних сферичних хвиль; ці хвилі поширюються від даної точки, як з центру, на всі боки і накладаються один на одного.

Що значить «накладаються»? Гюйгенс розумів це лише як геометричний спосіб побудови нової хвильової поверхні в якості обвідної сімейства сфер, що розширюються від кожної точки вихідної хвильової поверхні. Вторинні хвилі Гюйгенса – це математичні сфери, а не реальні хвилі; їх сумарна дія проявляється тільки на обвідної, т. е. на новому положенні хвильової поверхні.

У такому вигляді принцип Гюйгенса не давав відповіді на природне запитання, чому в процесі поширення хвилі не виникає хвиля, що йде у зворотному напрямку. Не пояснені, як ми вже сказали вище, залишалися і дифракційні явища.

Модифікація принципу Гюйгенса відбулася лише через 137 років. Огюстен Френель замінив допоміжні геометричні сфери Гюйгенса на реальні хвилі і припустив, що ці хвилі інтерферують один з одним.

Принцип Гюйгенса-Френеля. Кожна точка хвильової поверхні служить джерелом вторинних сферичних хвиль. Всі ці вторинні хвилі є когерентними огляду на спільності їх походження від первинного джерела (і, стало бути, можуть інтерферувати один з одним); хвильовий процес в навколишньому просторі є результат інтерференції вторинних хвиль.

Ідея Френеля наповнила принцип Гюйгенса фізичним змістом. Вторинні хвилі, интерферируя, підсилюють один одного на обвідної своїх хвильових поверхонь у напрямку “вперед”, забезпечуючи подальше поширення хвилі. А в напрямку «назад» відбувається їх інтерференція з вихідною хвилею, спостерігається взаємне гасіння, і зворотна хвиля не виникає.

Зокрема, світло поширюється там, де вторинні хвилі взаємно посилюються. А в місцях ослаблення вторинних хвиль ми будемо бачити темні ділянки простору.

Принцип Гюйгенса-Френеля висловлює важливу фізичну ідею: хвиля, віддалившись від свого джерела, надалі «живе своїм життям» і вже ніяк від цього джерела не залежить. Захоплюючи нові ділянки простору, хвиля поширюється все далі і далі внаслідок інтерференції вторинних хвиль, збуджених в різних точках простору в міру проходження хвилі.

Отже, яке ж пояснення дає принцип Гюйгенса-Френеля явищу дифракції? Яким чином, наприклад, відбувається дифракція на отворі?

Екранне отвір вирізає з нескінченної плоскої хвильової поверхні маленький світиться диск. Подальше світлове поле виходить в результаті інтерференції хвиль вторинних джерел, розташованих вже не на всій площині, а лише на цьому диску. Природно, нові хвильові поверхні тепер не будуть плоскими; хід променів викривляється, і хвиля починає поширюватися в різних напрямках, не збігаються з початковим. Хвиля огинає краю отвору і проникає в область геометричної тіні.

Вторинні хвилі, іспущенние різними точками вирізаного світлого диска, интерферируют один з одним. Результат інтерференції визначається різницею фаз вторинних хвиль і залежить від кута відхилення променів. В результаті виникає чергування інтерференційних максимумів і мінімумів – що ми і бачили на рис. 4.88.

Френель не тільки доповнив принцип Гюйгенса важливою ідеєю когерентності і інтерференції вторинних хвиль, але і придумав свій знаменитий метод вирішення дифракційних задач, заснований на побудові так званих зон Френеля. Вивчення зон Френеля не входить до шкільної програми – про них ви дізнаєтеся вже у вузівському курсі фізики. Тут ми відзначимо лише, що закон прямолінійного поширення світла (а саме, освіта тіней непрозорих предметів, співпадаючих за формою з самими предметами) отримує своє якісне пояснення саме в рамках методу зон Френеля.

Посилання на основну публікацію