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

Предположим, что удалось найти дифракционный максимум для лучей определенного цвета, расположенный под некоторым углом. Если мы изменим длину волны, то и значение фазы (2pdsinq)/l будет иным и максимум, разумеется, возникнет при каком-то другом угле. Именно поэтому красные и синие полосы на экране разделяются. Насколько должны отличаться углы, что­бы мы смогли различить два разных максимума? Если верхушки максимумов совпадают, мы, конечно, не сможем различить их один от другого. Если же максимумы достаточно далеки друг от друга, то на картине распределения света возникают два горба.

Фиг. 30.6. Иллюстрация крите­рия Рэлея. Максимум одного распределения совпа­дает с минимумом другого.

Чтобы заметить, когда начинает вырисовываться двойной горб, лучше всего воспользоваться простым правилом, называемым обычно правилом (или критерием) Рэлея, (фиг. 30.6). По этому правилу первый минимум на дифракционной картине для одной длины волны должен совпадать с максимумом для другой длины волны. Теперь уже нетрудно вычислить разность длин волн, когда один минимум в точности «садится» на максимум другого пучка. Лучше всего для этого воспользоваться геометрическим способом.

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.

§ 6. Дифракция на непрозрачном экране

Рассмотрим сейчас весьма интересное явление. Пусть имеет­ся непрозрачный лист с отверстиями, и по одну сторону от него расположен источник света. Нас интересует, какое изображение возникнет на экране по другую сторону листа. Каждый скажет, что свет пройдет через отверстия и создаст на экране какое-то изображение. Оказывается, что это изображение можно полу­чить с хорошей степенью точности, если предположить, что источники света равномерно распределены по ширине отверстий, а фазы источников точно такие, как если бы непрозрачного листа вовсе не было. Источников в отверстиях на самом деле, конечно, нет; во всяком случае, это как раз то место, где их наверняка не может быть. Тем не менее правильная дифракционная кар­тина получается, если считать, что источники расположены именно в отверстиях; факт довольно странный. Позже мы объяс­ним, почему такое предположение правильно, а пока примем его на веру.