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：惠更斯－菲涅耳原理的是与非


作者：彭晓韬
日期：2020.04.16
[文章摘要]：惠更斯-菲涅耳原理 Huygens-Fresnel principle是以波动理论解释光的传播规律的基本原理 。 它是在惠更斯原理(Huygens principle)的基础上发展而得的 ， 是研究衍射现象的理论基础 ， 可作为求解波(特别是光波)传播问题的一种近似方法 ， 由荷兰物理学家克里斯蒂安·惠更斯(Christiaan Huygens)在创立光的波动说时首先提出的（摘自360百科） 。 但作者认为：该原理存在二个重要的、关键性的问题：一是将子光源作为点光源 ， 而不是原子被电偶极子化的时变电偶极矩的电偶极子；二是没有明确适用范围（在真空中是不适用的） 。 本人观点如有与某位前辈雷同 ， 请谅晚辈无知为要 。
一、惠更斯－菲涅耳原理简介
在光场中任取一个包围光源的闭合曲面Σ ， 该曲面上每一点均是新的次波源 ， 观察点P的振动是曲面Σ上所有次波源发出的次波的相干叠加 。
历史：1678年 ， 惠更斯在给巴黎科学院的信和中都阐述了他的光波动原理 ， 即惠更斯原理 ， 这是惠更斯-菲涅耳原理的雏形和基础 。
1815年 ， 奥古斯汀-让·菲涅尔(Augustin-Jean Fresnel)引入波的相干性 ， 即同时考虑各次波到达某点的作用与次波间的位相关系 ， 补充了惠更斯-菲涅耳原理
应用：惠更斯曾根据这一原理正确地解释了光的反射定律、折射定律和双折射现象 。 要解释衍射现象实质上是要解决不同方向上的强度分布问题 ， 但惠更斯原理并未涉及强度 ， 也无波长概念 ， 故仅靠惠更斯原理不能解决衍射问题 。 菲涅尔弥补了惠更斯原理的不足之处 ， 他保留了惠更斯的次波概念 ， 补充了次波相干叠加的概念 ， 解决了波衍射的问题 。
局限性：惠更斯-菲涅耳原理不是严格的理论产物 ， 较大程度上是凭朴素的直觉而得到的 ， 对倾斜因子无法给出具体的函数形式， 菲涅尔只对它作了某种猜测:θ=0时倾斜因子为1 ， θ=90时下降到零(即假定无后退次波) 。 后来古斯塔夫·罗伯特·基尔霍夫(Gustav Robert Kirchhoff)和阿诺德·索末菲(Arnold Johannes Wilhelm Sommerfeld)根据一般的波动理论从理论上导出了与菲涅耳的公式十分接近的衍射公式 ， 同时还给出倾斜因子K(θ)的具体函数形式[摘自360百科]
二、惠更斯－菲涅耳原理存在的问题简述
1、真空中的光不能分解为次光源
由下图一可知：光在真空中运动时是不可见的 。 也就是光在真空中是不会产生衍射、散射等现象的 。 实际上在真空中 ， 变化的电场并不能激励出次生磁场 。 同样地 ， 变化的磁场也不能激励出次生的电场 。 因此 ， 在真空中的光是不可以分解为次光源的叠加效应的 。
：惠更斯－菲涅耳原理的是与非
本文插图

动图说明：长虚线左侧为导光介质 ， 而其右侧至短实线间为真空 ， 短实线为反射镜
图一：光在介质及真空中的运动轨迹动图
2、介质中的子（次）光源并非点光源 ， 而是时变电偶矩的电偶极子类的子光源
在上图一中虚线左边介质中 ， 光团的运动轨迹可视是因为介质中的原子被入射光或邻近原子极化后产生的次生光极化后的电偶极子产生的散射光被摄像机捕获并记录下来的结果 。
如果次光源为点光源 ， 则叠加后的光波应该是以球状方式向四面八方传递的 。 而光在介质内部的传递是明显有方向性的 。 这正是因为子（次）光源为电偶极子导致的 。 因为电偶极子场是有方向性的 。
三、光的本质及与介质相互作用规律
1、光的本质
光是带电体在相对观测者（观测设备与装置）不同运动状态下产生的电场与磁场 。 不同空间位置上的每个带电体（如原子中的电子与原子核）产生的电场与磁场同时到达观测者所处位置上的矢量叠加结果才是观测者观测到的电场与磁场的真实数据 。


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