惠更斯原理：衍射

图 1 显示了从上方和侧面观察横波的样子。可以想象光波会像这样传播，尽管我们实际上并没有看到它在太空中摆动。从上面看，我们可以看到波前（或波峰），就像我们俯视海浪一样。侧视图将是电场或磁场的图表。

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图 1.横波，例如从上方和侧面观察的类似光的电磁波。传播方向垂直于波前（或波峰），并用像射线一样的箭头表示。

荷兰科学家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens，1629-1695 年）开发了一种有用的技术，用于详细确定波的传播方式和位置。从一些已知的位置出发，惠更斯原理指出：

波前的每个点都是小波的来源，这些小波以与波本身相同的速度向前扩散。新波前是一条与所有小波相切的线。

图 2 显示了惠更斯原理的应用方式。波前是移动的长边，例如波峰或波谷。波前上的每个点都会发出一个半圆波，该波以传播速度 v 移动。这些是在 t 之后的时间绘制的，因此它们移动了距离 s = vt。新波前是一条与小波相切的线，也是我们期望波在时间t之后的位置。惠更斯原理适用于所有类型的波，包括水波、声波和光波。我们会发现它不仅在描述光波如何传播方面很有用，而且在解释反射和折射定律方面也很有用。此外，我们将看到惠更斯原理告诉我们光线如何以及在哪里干涉。

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图2.惠更斯原理适用于直波前。波前上的每个点都会发出一个半圆形小波，该小波移动一段距离。新波前是一条与小波相切的线。

图 3 显示了镜子如何以等于入射角的角度反射入射波，验证了反射定律。当波前撞击镜子时，小波首先从镜子的左侧发射，然后从右侧发射。靠近左边的小波有时间传播得更远，产生沿所示方向传播的波前。

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图3.惠更斯原理适用于直线波前撞击镜子。显示的小波是在波前的每个点撞击镜子时发射的。与这些小波的切线表明，新波前以等于入射角的角度被反射。传播方向垂直于波前，如向下箭头所示。

折射定律可以通过将惠更斯原理应用于从一种介质传递到另一种介质的波前来解释（见图4）。图中的每个小波都是在波前穿过介质之间的界面时发射的。由于第二种介质中的光速较小，因此波在给定时间内不会传播那么远，并且新的波前会改变方向，如图所示。这就解释了为什么当光线减速时，光线会改变方向以变得更靠近垂直线。

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图4.惠更斯原理适用于从一种介质传播到另一种介质的直线波前，其速度较小。光线向垂直方向弯曲，因为小波在第二种介质中的速度较低。

当波浪穿过一个开口时会发生什么，例如光线从敞开的门照射到黑暗的房间中？对于光线，我们希望在房间地板上看到门口的清晰阴影，并且我们预计没有光线会从角落弯曲到房间的其他部分。当声音通过一扇门时，我们希望在房间的任何地方都能听到它，因此，当声音通过这样的开口时，声音会扩散开来（见图5）。在这种情况下，声波和光波的行为有什么区别？答案是光的波长很短，就像射线一样。声音的波长与门的大小相等，并在拐角处弯曲

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图5.（a） 穿过门口的光线在地板上形成清晰的轮廓。由于与门的大小相比，光的波长非常小，因此它的作用就像射线一样。（b） 声波弯曲到房间的所有部分，这是一种波浪效应，因为它们的波长与门的大小相似。

如果我们将光通过较小的开口（通常称为狭缝），我们可以使用惠更斯原理来观察光会像声音一样弯曲（见图 6）。波浪在开口或障碍物边缘的弯曲称为衍射。衍射是一种波特性，适用于所有类型的波。如果观察到某种现象的衍射，则证明该现象是波。因此，图 7 中激光束穿过狭缝后的水平衍射证明了光是一种波。

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图6.惠更斯原理适用于直线波前撞击开口。波前的边缘在通过开口后弯曲，这一过程称为衍射。对于小开口，弯曲量更为极端，这与波特性在与波长大小大致相同的物体相互作用时最明显的事实一致。