Ричард Фейнман - 3. Излучение. Волны. Кванты
Существует еще один метод решения задачи, его можно было бы назвать аналитическим. Вместо того чтобы рисовать схему, подобную приведенной на фиг. 29.9, напишем выражения, имеющие тот же смысл, что и чертеж, и сопоставим каждому вектору комплексное число. Действительные части этих комплексных чисел отвечают реальным физическим величинам. В нашем конкретном случае волны записываются следующим образом: A1ехр[i(wt+j1)] [действительная часть этого равна A1cos(wt+j1)] и A2ехр[i(wt-+j2)]. Сложим обе волны:
(29.13)
(29.14)
Задача, таким образом, решена, так как мы имеем окончательный результат в виде комплексного числа с модулем ARи фазой jR.
Для иллюстрации аналитического метода найдем амплитуду АR , т. е. «длину» R. «Длина» комплексного числа в квадрате есть само комплексное число, умноженное на сопряженное ему.
Комплексное сопряжение состоит в изменении знака i . Отсюда получаем
(29.15)
(С помощью формул тригонометрии легко установить совпадение получаемого результата с длиной ARна фиг. 29.9.)
Итак, суммарная интенсивность складывается из члена А12, возникающего от действия только первого источника, интенсивности А22, равной интенсивности второго источника, и еще дополнительного члена. Этот дополнительный член мы назовем эффектом интерференции. Он представляет собой разность между истинным результатом сложения и суммой интенсивностей. Интерференционный член может быть как положительным, так и отрицательным. [Интерференция (interference) в английской разговорной речи означает возражение, помеху, но в физике слова часто теряют первоначальный смысл и употребляются совсем в другом значении!] Если интерференционный член положителен, мы будем говорить о конструктивной интерференции (буквальный смысл этого выражения покажется ужасным всем, кроме физиков!). В противном случае мы говорим о деструктивной интерференции.
Посмотрим теперь, как применить нашу общую формулу (29.16) для сложения полей излучения двух осцилляторов к тем частным случаям, которые мы уже качественно обсуждали. Для этого необходимо лишь вычислить разность фаз j1 -j2 двух сигналов, приходящих в данную точку пространства. (Эффект, разумеется, связан с разностью фаз, а не с их абсолютными значениями.) Рассмотрим случай, когда два осциллятора с равными амплитудами и с относительной фазой колебаний а (когда колебания одного имеют фазу нуль, фаза другого равна а) расположены на расстоянии d друг от друга. Будем искать интенсивность под углом q к линии запад — восток. [Заметьте, что этот угол не имеет ничего общего с углом q в формуле (29.1).] Разность расстояний от точки Рдо осцилляторов равна dsinq (фиг. 29.10), поэтому разность фаз, возникающая по этой причине, равна числу длин волн, заключенных на отрезке dsinq, умноженному на 2p.
Фиг. 29.10. Два осциллятора, обладающие одинаковой амплитудой и разностью фаз a.
(Более подготовленный читатель, вероятно, умножил бы волновое число k, т. е. скорость изменения фазы с расстоянием, на d sin 0, результат получится тот же самый.) Разность фаз, возникающая из-за разности хода лучей, есть, таким образом, (2pdsinq)/l, но из-за относительного запаздывания осцилляторов возникает дополнительная разность фаз a. Отсюда полная разность фаз двух волн в точке наблюдения равна
(29.17)
Это выражение охватывает все случаи. Теперь остается только подставить его в (29.16) и положить A1=А2; получится формула, с помощью которой можно вывести все результаты для двух антенн одинаковой интенсивности.
Рассмотрим частные случаи. Например, на фиг. 29.5 мы полагали, что интенсивность на угол 30° равна 2. Откуда это получается? Осцилляторы находятся на расстоянии X/2, следовательно, для угла 30° dsinq=l/4, отсюда j2-j1=2pl/4l=p/2 и интерференционный член равен нулю. (Происходит сложение двух векторов, направленных под углом 90" друг к другу.) Сумма векторов есть гипотенуза прямоугольного равнобедренного треугольника, она в Ц2раз больше каждой амплитуды. Следовательно, интенсивность в 2 раза больше интенсивности каждого источника в отдельности. Все остальные примеры исследуются точно таким же способом.
Глава 30
ДИФРАКЦИЯ
§ 1. Результирующее поле n одинаковых осцилляторов
§ 2. Дифракционная решетка
§ 3. Разрешающая способность дифракционной решетки
§ 4. Параболическая антенна
§ 5. Окрашенные пленки; кристаллы
§ 6. Дифракция на непрозрачном экране
§ 7. Поле системы осцилляторов, расположенных на плоскости
§ 1. Результирующее поле n одинаковых осцилляторов
Настоящая глава — непосредственное продолжение предыдущей, хотя название «Интерференция» здесь заменено словом «Дифракция». До сих пор никому не удалось удовлетворительным образом определить разницу между дифракцией и интерференцией. Дело здесь только в привычке, а существенного физического различия между этими явлениями нет. Единственное, что можно сказать по этому поводу,— это следующее: когда источников мало, например два, то результат их совместного действия обычно называют интерференцией, а если источников много, то чаще говорят о дифракции. Поэтому мы не будем утруждать себя вопросом — интерференция это или дифракция, а просто продолжим наше обсуждение с того места, где мы остановились в предыдущей главе.
Обсудим теперь случай, когда имеется n осцилляторов, расположенных на равных расстояниях один от другого и обладающих равными амплитудами, но разными фазами создаваемых ими полей. Разность фаз создается либо из-за выбора определенных фазовых сдвигов колебаний осцилляторов, либо потому, что мы находимся под углом к осцилляторам и возникает разность хода лучей. Независимо от причины возникновения разности фаз необходимо вычислить сумму такого вида:
где j — разность фаз соседних осцилляторов для некоторого направления лучей. В данном частном случае j=a+2pd1/2sinq. Вычислим сумму R. Для этого воспользуемся геометрическим способом сложения. Длина первого слагаемого А,а его фаза равна нулю; длина второго также А, а фаза его равна j. Следующее слагаемое имеет снова длину А и фазу, равную 2j, и т. д. В конце концов получается часть правильного многоугольника с n сторонами (фиг. 30.1).
Фиг. 30.1. Результирующая амплитуда шести аквидистантных источников при разности фаз j между каждыми двумя соседними источниками.
Вершины многоугольника лежат, конечно, на окружности, и чтобы легче было определить результирующую амплитуду, найдем радиус этой окружности. Пусть Q есть ее центр. Тогда угол OQS равен как раз фазе j (поскольку радиус QS образует с А2 такой же угол, как QO с a1). Следовательно, радиус r должен удовлетворять равенству А = 2rsinj/2, откуда мы и находим величину r. Далее, большой угол OQT равен nj; следовательно, AR=2rsinnj/2. Исключая из обоих равенств г, получаем
(30.2)
Таким образом, суммарная интенсивность оказывается равной
(30.3)
Проанализируем это выражение и обсудим вытекающие из него следствия. Прежде всего, положив n =1, получим, как и следовало ожидать, I = I0. Проверим формулу для n=2: с помощью соотношения sinj=2sin j/2cosj/2 сразу находим АR = 2Acosj/2, что совпадает с (29.12).
Мы вынуждены рассматривать сложение полей от многих источников потому, что в этом случае интенсивность в одном направлении получается много больше, чем в соседних, т. е. все побочные максимумы интенсивности оказываются гораздо меньше основного. Чтобы понять этот факт, начертим кривую соответствующую выражению (30.3) для больших n и j, близких к нулю. Прежде всего, когда j точно равно нулю, мы получаем отношение О/О, но фактически для бесконечно малых j отношение синусов равно n2, так как синус можно заменить его аргументом. Таким образом, максимум кривой в n2раз больше интенсивности одного осциллятора. Этот результат легко понять, поскольку при нулевой разности фаз все n маленьких векторов складываются в один вектор, в n раз больший исходного, а интенсивность увеличивается в n2 раз.
