Фейнмановские лекции по физике. 3. Излучение. Волны. Кванты

Чтобы возник максимум при длине волны l', расстояние D (см. фиг. 30.3) должно быть равно nl', а чтобы возник мак­симум порядка m, расстояние D должно быть равно mnl'. Дру­гими словами, (2pd/l'), sinq=2pm и ndsinq, равное D, естьl', умноженная на тп, или соответственно mnl'. Если мы хотим, чтобы под тем же углом для другого луча с длиной волны l, появился минимум, расстояние D должно превышать тпl ровно на одну длину волны l, т. е. D=тпl+l =тпl'. Отсюда, полагая l'= l+dl,, получаем

(30.9)

Отношение l/dl, называется разрешающей способностью диф­ракционной решетки; она равна, как видно из формулы, пол­ному числу линий в решетке, умноженному на порядок макси­мума луча. Легко убедиться, что эта формула эквивалентна сле­дующему утверждению: разность частот должна быть равна обратной величине разности времен прохождения для самых крайних интерферирующих лучей

sv=1/T

Полезно запомнить именно эту общую формулу, потому что она применима не только для решеток, но и для любых устройств, тогда как вывод формулы (30.9) связан со свойствами дифрак­ционных решеток.

§ 4. Параболическая антенна

Рассмотрим теперь еще один вопрос, связанный с разреша­ющей способностью. Речь идет об антеннах радиотелескопов, использующихся для определения положения источников ра­диоволн на небе и их угловых размеров. Если бы мы взяли нашу старую антенну и с ее помощью приняли сигналы, то, конечно, не могли бы сказать, откуда они пришли. А знать, где находится источник, очень важно. Можно, конечно, покрыть всю Австра­лию проводами-диполями, расположенными на равном расстоя­нии друг от друга. Затем подсоединить все диполи к одному приемнику так, чтобы уравнять запаздывание сигналов в сое­динительных проводах. Тогда сигналы от всех диполей придут к приемнику с одной фазой. Что в результате получится? Если источник расположен достаточно далеко и прямо над нашей си­стемой, то сигналы от всех антенн придут к приемнику в фазе.

Но предположим, что источник расположен под небольшим углом 9 к вертикали. Тогда сигналы, принятые различными антеннами, будут немного сдвинуты по фазе. В приемнике все эти сигналы с разными фазами складываются, и мы ничего не получим, если только угол 6 достаточно велик. Но как велик должен быть этот угол? Ответ: мы получим нуль, если угол D/L=0 (см. фиг. 30.3) соответствует сдвигу фаз в 360°, т. е. если D равно длине волны l.

Этот результат легко понять, если учесть, что векторы, со­ответствующие сигналам от разных антенн, образуют замкну­тый многоугольник и их сумма тогда обращается в нуль. Наи­меньший угол, который антенное устройство длиной L еще может разрешить, есть Q=l/L. Заметим, что кривая чувствительности антенны при приеме имеет точно такой же вид, как и распреде­ление интенсивности, даваемое антеннами-передатчиками. Здесь проявляется так называемый принцип обратимости. Согласно этому принципу, для любых антенных устройств, при любых углах и т. п. справедливо правило: относительная чувствитель­ность в разных направлениях совпадает с относительной интен­сивностью для тех же направлений, если заменить приемник передатчиком.

Бывают антенные устройства и другого типа. Вместо того чтобы выстраивать целую систему диполей с кучей соединитель­ных проводов между ними, можно расположить их по кривой, а приемник поставить в такую точку, где он мог бы фиксировать отраженные сигналы. Кривая выбирается с таким хитрым рас­четом, чтобы все лучи от далекого источника после рассеяния доходили к приемнику за одно и то же время (см. фиг. 26.12). Значит, кривая должна быть параболой; тогда если источник находится на ее оси, то в фокусе возникает большая интенсив­ность рассеянного излучения. Легко найти разрешающую способность такого устройства. Расположение антенн по параболе здесь несущественно. Параболическая форма выбрана просто для удобства, она позволяет собирать все сигналы за одинако­вое время и притом без проводов. Минимальный угол разреше­ния такого устройства по-прежнему равен q =l/L, где L — рас­стояние между крайними антеннами. Этот угол не зависит от промежутка между соседними антеннами, они могут быть раз­мещены очень близко одна от другой, фактически вместо сис­темы антенн можно даже взять сплошной кусок металла. В прин­ципе это то же самое, что и зеркало телескопа. Итак, мы нашли разрешающую способность телескопа! (Иногда разрешающую способность пишут в виде q=1,22 l/L, где L — диаметр теле­скопа. Множитель 1,22 появляется по следующей причине: при выводе формулы q =l/L интенсивность всех диполей считалась одинаковой независимо от их положения, но, поскольку теле­скопы обычно делают круглыми, а не квадратными, интенсив­ность сигналов от краев меньше, чем от середины; в отличие от случая квадратного сечения края дают относительно малый вклад. Следовательно, эффективный диаметр короче истинного, что и учитывается множителем 1,22. На самом же деле такая точность в формуле для разрешающей способности кажется слишком педантичной.)

§ 5, Окрашенные пленки; кристаллы

Выше были рассмотрены некоторые эффекты, возникающие при интерференции нескольких волн. Но можно привести ряд других примеров, основной механизм которых слишком сложен, чтобы говорить о нем в данный момент (мы обсудим его впослед­ствии), а пока разберем возникающие в этих примерах интер­ференционные явления.

Например, когда свет падает на поверхность среды с показа­телем преломления nпо нормали к поверхности, то часть света отражается. Причину отражения сейчас нам было бы трудно понять; мы поговорим о ней позже. Сейчас же предположим, что факт отражения света при входе и выходе света из преломляю­щей среды нам уже известен. Тогда при отражении света от тонкой пленки возникнет совокупность двух волн, отраженных от передней и задней поверхностей пленки; при достаточно ма­лой толщине пленки эти волны будут интерферировать, усили­вая или ослабляя друг друга в зависимости от знака разности фаз. Например, может случиться, что красный свет будет отражаться с усилением, а синий свет, который имеет другую длину волны,—с ослаблением, так что отраженный луч будет иметь яр­кую красную окраску.

Если мы изменим толщину пленки и бу­дем наблюдать отражение, скажем, в тех местах, где пленка по­толще, то сможем увидеть обратную картину, т. е. красные волны будут ослабляться, а синие нет, и пленка будет казаться синей, или зеленой, или желтой, в общем любого цвета. Таким образом, мы видим тонкую пленку окрашенной, а если будем смотреть на нее под другим углом, то расцветка будет иной, так как время прохождения света через пленку меняется с измене­нием угла зрения. Так становится понятной причина возникно­вения сложной цветовой гаммы на пленках нефти, мыльных пу­зырях и во многих других подобных случаях. Сущность явле­ния всюду одна — сложение волн с разными фазами.

Отметим еще одно важное применение дифракции. Возьмем дифракционную решетку и спроектируем ее изображение на экран. Для монохроматического света в определенных местах экрана возникнут максимумы — основные и более высоких по­рядков. По расположению максимумов и длине волны можно найти расстояние между линиями решетки. А по отношению интенсивностей различных максимумов можно найти форму штри­хов решетки и различить пиловидную, прямолинейную и раз­ные другие формы, даже не глядя на решетку. Этот принцип служит для определения положения атомов в кристалле. Един­ственная сложность состоит в том, что кристалл трехмерен; он представляет собой периодическую трехмерную решетку, составленную из атомов. Мы не можем использовать здесь ви­димый свет, потому что длина волны источника должна быть меньше расстояния между атомами, иначе никакого эффекта не будет; следовательно, нужно взять излучение с очень малыми длинами волн, т. е. рентгеновские лучи. Итак, освещая кристалл рентгеновскими лучами и найдя интенсивности максимумов раз­ного порядка, можно определить расположение атомов в кри­сталле, даже не имея возможности увидеть все это собственными глазами! Именно таким путем было найдено расположение ато­мов в разных веществах. В гл. 1 мы привели несколько схем, показывающих размещение атомов в кристалле соли и ряде дру­гих веществ. Мы еще вернемся к этому вопросу в дальнейшем и обсудим его подробно, а пока не будем заниматься этой интерес­нейшей проблемой.