¿Cómo se aplica el principio de Huygens-Fresnel a la difracción?

Actualmente estoy tratando de comprender la mecánica detrás de la difracción y obtener una mejor comprensión del principio de Huygens-Fresnel, pero he llegado a un obstáculo que me hace cuestionar mi comprensión de la refracción.

En primer lugar, una explicación rápida de mi comprensión de la refracción (donde el principio de Huygens-Fresnel tiene sentido):

Según tengo entendido, la refracción es un fenómeno causado por la interacción luz-materia; cuando una onda de luz incide sobre un material, su componente de campo eléctrico excita las partículas que componen el material, lo que conduce a la emisión de nuevas ondas EM. El principio de Huygens-Fresnel tiene sentido para mí aquí, ya que las partículas se convierten en radiadores e irradian nuevas ondas EM en todas las direcciones.

Entonces, con este entendimiento, la flexión de la luz refractada tiene sentido: cuando una onda incidente está en un ángulo que no es de 0 grados, la onda incidente interactuará con las partículas en la superficie, de manera secuencial. Esto es lo que hace que la luz refractada se desvíe de lo normal, ya que las partículas excitadas se comportan como una matriz en fase, donde emiten nuevas ondas EM secuencialmente.

Entonces, con la refracción, creo que son las partículas (que componen el material) las fuentes de nuevas ondas descritas por el principio de Huygens-Fresnel (los puntos amarillos en la imagen a continuación). Sospecho que esto puede ser donde me estoy equivocando (?)

Foto de refracción del principio de Huygens-Fresnel

Tenga en cuenta que el entendimiento anterior es solo para refracción. Soy consciente de que la luz transmitida total se compone de la luz refractada y (algo de) la luz incidente.

Ahora para la difracción:

Con la difracción (usando el experimento de una sola rendija por simplicidad), la onda es parcialmente absorbida y parcialmente transmitida. La forma de la onda transmitida no es la misma que la original, debido a la interferencia provocada por las nuevas ondas emitidas en cada punto del frente de onda.

Foto de difracción del principio de Huygens-Fresnel

La parte transmitida no interactúa con ninguna partícula (estoy ignorando las partículas atmosféricas), entonces, desde una perspectiva física, ¿qué son estos emisores (en cada punto del frente de onda/los puntos amarillos en la imagen de arriba)? ¿Y qué hace que emitan nuevas ondas?

Para la refracción, los emisores son las partículas que componen el material, y emiten nuevas ondas debido a su interacción con la onda incidente. Así que entiendo cómo funciona el principio de Huygens-Fresnel con la refracción, pero no estoy seguro de por qué debería considerar cada punto de un frente de onda como una fuente de nuevas ondas EM con difracción.

Entonces, como probablemente pueda ver, mi comprensión de la refracción está causando confusión con la difracción, lo que, a su vez, me hace cuestionar mi comprensión de la refracción.

¿Es correcta mi comprensión de la refracción? ¿Son los puntos a los que se refiere el principio de Huygens-Fresnel realmente las partículas que forman el material para la refracción? ¿Qué pasa con la difracción?

Deberías pensar en la luz como fotones individuales. Trate de visualizar sus ejemplos de refracción y difracción con un solo fotón atravesando. También tenga en cuenta que los fotones se doblan (cambian de trayectoria) alrededor de los bordes individuales y no requieren una rendija para observar este fenómeno. Se puede derivar una causa y un efecto comunes para explicar la difracción, la refracción, la dispersión y el índice de refracción de un fotón a la vez.

Respuestas (4)

El principio de Huygens-Fresnel es aplicable tanto a medios de vacío como de no vacío, es decir, no tiene que haber ningún material subyacente con partículas físicas como electrones en él.

Es más un concepto geométrico que muestra cómo se puede predecir la propagación de una onda tratando cada punto del frente de onda como una nueva fuente de ondas. No dice que estas fuentes realmente existan.

La única característica de los medios que debe tenerse en cuenta para predecir la refracción utilizando el principio de Huygens-Fresnel es la velocidad de propagación de la onda, que podría ser diferente para diferentes medios, siendo la velocidad en el vacío, c, por supuesto, la más rápida.

Creo que su confusión se centra en la idea de "emisores". El principio de Huygens no requiere emisores reales; simplemente establece que cada punto en el frente de onda actúa como un nuevo emisor de frente de onda esférico, y los frentes de onda aguas abajo actúan como si fueran la suma lineal de los frentes de onda emitidos por esos emisores aguas arriba imaginarios. La luz que se propaga en el espacio libre sin obstáculos obedece al principio de Huygens.

Si un frente de onda está bloqueado en cualquier parte por una máscara con una abertura estenopeica ligeramente más grande que una longitud de onda de la onda bloqueada, emerge una onda casi esférica en el lado aguas abajo de la abertura. Esa observación es la base del principio de Huygens. Realmente no importa de qué esté hecha la máscara.

Esto no explica por qué funciona el principio de Huygens.
No explica POR QUÉ funciona el principio de Huygens. Del mismo modo, QM falla por completo en explicar por qué funciona QM. ¿Por qué los electrones están confinados a los orbitales cuánticos? ¿Por qué nunca puede haber más de uno en el mismo estado cuántico? Etc. No da explicaciones reales, solo genera predicciones estadísticas correctas. Pero la electrodinámica cuántica PODRÍA explicar. Tal vez cada fotón se convierta aleatoriamente en un par electrón/positrón, o tal vez en un par virtual. Y luego chocan y producen un nuevo fotón con la misma frecuencia pero en una dirección aleatoria. Eso sería suficiente, si la doble transición ocurriera con la suficiente frecuencia.

Tienes toda la razón. La luz interactúa con los electrones en la pantalla. Si la pantalla está completamente cerrada, se genera una onda inducida que está en fase opuesta a la onda incidente, de modo que la suma es oscuridad (una sombra).

Cuando solo hay una pequeña obstrucción (un cabello o un alambre de cobre delgado), esto creará un patrón de difracción de acuerdo con el principio de Huygens, con los puntos del alambre como emisores del campo inducido.

Ahora bien, existe el principio de Babinet. Un alambre es el complemento de una pantalla con una rendija. Los campos inducidos de estos son opuestos en fase, pero por lo demás idénticos.

Entonces, el tratamiento estándar de la rendija es un atajo. No es práctico hacer las integrales al infinito de la pantalla desde los bordes de la rendija. Babinet nos dice que se obtiene el mismo perfil de intensidad.

En su ejemplo de refracción, lo que hace que la luz se doble es que viaja más lentamente a través del segundo material (más denso). Si viajara a la misma velocidad, entonces no se doblaría. Se podría decir que son las partículas las que lo hacen, porque las partículas son las que ralentizan la luz.

En el ejemplo de difracción, se supone que la luz viaja a la misma velocidad en todas partes. Pero cuando viaja hacia una pantalla plana, recorre diferentes distancias para llegar a diferentes partes de la pantalla. Y la luz de diferentes partes de la rendija también viaja diferentes distancias al mismo punto en la pantalla. Desde aquí me parece raro.

Suponga que toda la luz viaja en todas las direcciones. Si la rendija tiene 5 longitudes de onda de ancho, entonces en una dirección, la luz a la altura de 4 ondas sucesivas llegará a la pantalla al mismo tiempo. Porque hay mucha diferencia en la distancia que recorren. Y todos cancelarán. Un poco más lejos, 4.5 ondas se encontrarán, y 4 de ellas se cancelarán dejando solo 1/9 de la luz para mostrar algo.

Entonces, la teoría dice que TODA la luz viaja en TODAS las direcciones (o al menos 180 grados, todas las direcciones hacia adelante), pero la mayor parte se cancela. Cuando lo piensas, es casi tan ridículo como la teoría del fotón.

Creo que esto se hace mejor con una pantalla semicircular en lugar de una plana. Entonces, toda la diferencia en la distancia que viaja la luz se debe a la rendija. Además, tal vez podría tener su rendija al final de un cono y tener una pantalla circular que va más de 180 grados. ¿Algo de la luz realmente se dobla más de 90 grados y se dirige un poco hacia atrás? Nunca lo sabrás a menos que lo midas.

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