Ричард Фейнман - Том 1. Механика, излучение и теплота

Фиг. 29.10. Два осциллятора, обладающие одинаковой амплитудой и разностью фаз α.

(Более подготовленный читатель, вероятно, умножил бы волновое число k, т. е. скорость изменения фазы с расстоянием, на d sinθ, результат получится тот же самый.) Разность фаз, возникающая из-за разности хода лучей, есть, таким образом, (2πdsinθ)/λ, но из-за относительного запаздывания осцилляторов возникает дополнительная разность фаз α. 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 A 1=А 2; 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° dsinθ=λ/4, отсюда φ 2-φ 1=2πλ/4λ=π/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 √2 раз больше каждой амплитуды. Следовательно, интенсивность в 2 раза больше интенсивности каждого источника в отдельности. Все остальные примеры исследуются точно таким же способом.

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 φ — разность фаз соседних осцилляторов для некоторого направления лучей. В данном частном случае φ=α+2πd 1/ λsinθ. 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 φ. Следующее слагаемое имеет снова длину А и фазу, равную 2φ, 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 φ 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 φ (поскольку радиус QS образует с А 2такой же угол, как QO с A 1). Следовательно, радиус r должен удовлетворять равенству А =2 r sinφ/2, откуда мы и находим величину r. Далее, большой угол OQT равен nφ; следовательно, A R=2 r sinnφ/2. Исключая из обоих равенств r, 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=I 0. Проверим формулу для n=2: с помощью соотношения sinφ=2sin φ/2cosφ/2 сразу находим А R =2 Acos φ/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 φ, близких к нулю. Прежде всего, когда φ точно равно нулю, мы получаем отношение 0/0, но фактически для бесконечно малых φ отношение синусов равно n 2, так как синус можно заменить его аргументом. Таким образом, максимум кривой в n 2раз 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 n 2раз.

С ростом фазы φ отношение двух синусов падает и обращается в нуль в первый раз при nφ/2=π, поскольку sinπ=0. Другими словами, значение φ=2π/ n отвечает первому минимуму кривой (фиг. 30.2). С точки зрения векторов на фиг. 30.1 первый минимум возникает в том случае, когда стрелки векторов возвращаются в исходную точку, при этом полная разность фаз от первого до последнего осциллятора равна 2π.

Перейдем к следующему максимуму и покажем, что он действительно, как мы и ждали, много меньше первого. Для точного определения положения максимума необходимо учитывать, что и числитель, и знаменатель в (30.3) оба меняются с изменением φ. Мы не станем этого делать, поскольку при большом n sinφ/2 меняется медленнее sinφ/2 и условие sinφ/2=1 дает положение максимума с большой точностью. Максимум sin 2nφ/2 достигается при nφ/2=Зπ/2 или φ=Зπ/n. Это означает, что стрелки векторов описывают полторы окружности.