Der niederländische Physiker CHRISTIAAN HUYGENS (1629-1695) entwickelte im Zusammenhang mit Vorstellungen über das Wesen des Lichtes das nach ihm benannte Prinzip der Ausbreitung von Wellen:
Jeder Punkt, der von einer Welle getroffen wird, ist Ausgangspunkt eine kreis- oder kugelförmigen Elementarwelle. Die Elementarwellen überlagern sich zu einer neuen Wellenfront.
Das huygenssche Prinzip
ist sowohl auf elektromagnetische Wellen einschließlich Lichtwellen
als auch auf mechanische Wellen anwendbar. Wir betrachten nachfolgend
einige Beispiele für seine Anwendung.
Geradlinige Ausbreitung von Wellen
Die Ausbreitung von Wellen
kann man mithilfe von Wellenfronten darstellen (Bilder 1 und 2). Die Senkrechte
zu den Wellenfronten wird als Wellennormale
bezeichnet. Jeder Punkt einer Wellenfront ist Ausgangspunkt von Elementarwellen
(in Bild 2 grün gezeichnet). Die Resultierende oder Einhüllende
aller dieser Elementarwellen ergibt die neue Wellenfront. Betrachtet man
in Bild 2 statt der wenigen ausgewählten Punkt beliebig viele, so
ergibt sich als Resultierende wieder eine lineare Wellenfront.
Reflexion und Brechung von Wellen
Trifft eine Wellenfront auf ein Hindernis, so ist nach dem huygensschen
Prinzip jeder Punkt, der von einer Wellenfront getroffen wird, Ausgangspunkt
einer Elementarwelle (Bild 3).
Trifft nun die Wellenfront schräg auf ein undurchlässiges Hindernis
(Bild 3a), so gehen zunächst von Punkt 1, dann von Punkt 2 usw. Elementarwellen
aus. Die Überlagerung aller Elementarwellen ergibt die neue Wellenfront.
Durch eine geometrische Konstruktion kann man leicht nachweisen, dass
bei einer solchen Reflexion
der Reflexionswinkel gleich dem Einfallswinkel der Welle ist. Dabei wird
davon ausgegangen, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Elementarwellen
gleich der der Wellen ist.
Ähnlich ist der Sachverhalt auch dann, wenn Wellen auf die Grenzfläche
zwischen zwei Stoffen treffen und sich in den zweiten Stoff ausbreiten
können (Bild 3b), wenn also Brechung
auftritt. Auch in diesem Falle ist jeder Punkt der Grenzfläche, auf
den eine Welle trifft, Ausgangspunkt von Elementarwellen, die sich überlagern.
Da im zweiten Stoff in der Regel die Ausbreitungsgeschwindigkeit eine
andere als in Stoff 1 ist, tritt Brechung auf.
Beugung von Wellen
Treffen Wellen auf einen schmalen Spalt
(Bild 4a) oder auf ein Hindernis
(Bild 4b), dann breiten sich Wellen hinter dem Spalt oder Hindernis in
den Raum hinein aus, wenn auch zumeist mit deutlich geringerer Intensität.
Die Erklärung dafür gibt das huygenssche Prinzip: Jeder Punkt
des Spaltes bzw. jeder Punkt am Hindernis ist Ausgangspunkt von Elementarwellen,
die sich auch in den "Schattenraum" hinein ausbreiten und sich
zu neuen Wellenfronten überlagern.
Ein typisches Beispiel für die Beugung
von Wellen kann man täglich feststellen: Geräusche, Musik
oder Sprache hört man auch, wenn man sich hinter einer Hausecke,
einer nicht geschlossenen Tür oder in einem anderen Raum befindet.
Ursache dafür ist die Beugung, manchmal auch die Reflexion von Schallwellen.
Das huygens-fresnelsche Prinzip
Der französische Naturforscher AUGUSTIN
JEAN FRESNEL (1788-1827) hat das besonders für die Erklärung
optischer Erscheinungen wichtige huygenssche Prinzip mit der Interferenz
in Verbindung gebracht und es damit erweitert. Man nennt es huygens-fresnelsches
Prinzip. Es lautet:
Der Schwingungszustand in einem beliebigen Punkt eines Wellenfeldes wird durch alle Elementarwellen bestimmt, die von einer beliebigen Wellenfront ausgehen. Den betreffenden Schwingungszustand erhält man, wenn man in dem Punkt alle Elementarwellen unter Berücksichtigung ihrer Phasen addiert.
Mithilfe dieses Prinzips kann man z.B. erklären, warum an einem
Raumbereich Verstärkung, Abschwächung bzw. Auslöschung,
also typische Interferenzmuster,
auftreten. Nähere Erläuterungen dazu sind unter dem Stichwort
"Interferenz" zu
finden.