Текст книги "Большая Советская Энциклопедия (ВО)"

Автор книги: Большая Советская Энциклопедия

сообщить о нарушении

Текущая страница: 52 (всего у книги 89 страниц)

  Отражение и преломление В. При падении на плоскую границу раздела двух разных сред плоская В. частично отражается, частично проходит в другую среду, оставаясь плоской, но меняет при этом своё направление распространения (преломляется) (рис. 9 , а). Углы, образуемые направлениями падающей, отражённой и преломлённой В. (рис. 9 , б) с перпендикуляром к границе раздела сред, называются соответственно углом падения a, углом отражения a₁ и углом преломления a₂ . Согласно закону отражения, угол падения равен углу отражения, т. е. a = a₁ . Согласно закону преломления, синус угла падения относится к синусу угла преломления, как скорость в первой среде к её скорости во второй среде, т. е.:

sin a/sin a₂=с₁ /с₂ = n,

где n — показатель преломления (см. также Отражение света , Преломление света ).

  Смесь В. с различными состояниями поляризации, распространяющаяся в одном и том же направлении, разделится, попадая в среду, в которой скорость распространения зависит от состояния поляризации; В., поляризованные различно, пойдут по разным направлениям (двойное лучепреломление ). Во многих случаях скорость распространения зависит также от частоты колебаний (дисперсия , см. ниже); в этих случаях смесь В. с различными частотами при преломлении разделится. При отражении расходящейся (сферической или цилиндрической) В. под малыми углами к плоской границе раздела двух сред возникают некоторые особенности. Наиболее важна та, когда скорость c₂ в нижней среде больше, чем c₁ в верхней среде (рис. 10 ), тогда, кроме обычной отражённой В., которой соответствует луч ОАР , возникает так называемая боковая В. Соответствующий ей луч OSDP часть своего пути (отрезок SD ) проходит в среде, от которой происходит отражение.

  Форма В. Дисперсия и нелинейность В. В процессе распространения В. её форма претерпевает изменения. Характер изменений существенно зависит от первоначальной формы В. Лишь бесконечная синусоидальная (гармоническая) В. (за исключением В. очень большой интенсивности) сохраняет свою форму неизменной при распространении, если при этом она не испытывает заметного поглощения. Но всякую В. (любой формы) можно представить как сумму бесконечных синусоидальных В. разных частот (как говорят, разложить в спектр). Например, одиночный импульс можно представить, как бесконечную сумму наложенных друг на друга синусоидальных В. Если среда, в которой распространяются В., линейна, т. е. её свойства не меняются под действием возмущений, создаваемых В., то все эффекты, вызываемые негармонической В., могут быть определены как сумма эффектов, создаваемых в отдельности каждой из её гармонических составляющих (так называемый суперпозиции принцип ).

  В реальных средах нередко скорости распространения синусоидальных В. зависят от частоты В. (так называемая дисперсия волн). Поэтому негармоническая В. (т. е. совокупность гармонических В. различных частот) в процессе распространения меняет свою форму вследствие того, что при распространении этих гармонических В. соотношение между их фазами меняется. Искажение формы В. может происходить и при дифракции и рассеянии негармонических В., так как оба эти процесса зависят от длины В. и поэтому для гармонической В. разной длины дифракция и рассеяние будут происходить по-разному. При наличии дисперсии изменение формы негармонической В. может происходить также в результате преломления В. Однако иногда может искажаться и форма гармонической В. Это происходит в тех случаях, когда амплитуда распространяющейся В. достаточно велика, так что уже нельзя пренебрегать изменениями свойств среды под воздействием В., т. е. когда сказываются нелинейные свойства среды. Искажения формы синусоидальной В. могут выразиться в том, что «горбы» В. (области больших возмущений) распространяются со скоростью, превышающей скорость распространения остальных участков В., в результате чего синусоидальная форма В. превращается в пилообразную (рис. 11 ). В нелинейной среде существенно изменяются и другие законы распространения В. – в частности, законы отражения и преломления. Подробнее см. Нелинейная оптика .

  Фазовая и групповая скорости В. Введённая выше скорость В. называется фазовой скоростью, это скорость, с которой перемещается какая-нибудь определённая фаза бесконечной синусоидальной В. (например, фаза, соответствующая гребню или впадине), фазовая скорость В. входит, в частности, в формулу закона преломления. Однако на опыте имеют дело с В. не в виде бесконечных синусоид, называемых также монохроматическими В., для которых только и имеет смысл понятие фазовой скорости, а с ограниченными В. Как уже было указано, любая ограниченная В. может быть представлена в виде наложения большого (точнее – бесконечно большого) числа монохроматических В. различных частот. Если фазовые скорости В. всех частот одинаковы, то с этой же скоростью распространяется и вся совокупность, или группа, В. Если же эти скорости не одинаковы, т. е. имеет место дисперсия, то вопрос о скорости распространения ограниченной. В. усложняется. Английским физиком Дж. У. Рэлеем было показано, что если ограниченная В. составляется из В., частоты которых мало отличаются друг от друга, то эта В., или как её часто называют волновой пакет, распространяется с определённой скоростью, называемой групповой скоростью. Групповая скорость u вычисляется по формуле: u = с – λdc/dλ . С групповой скоростью происходит также перенос энергии В.

  Изменение частоты В. при движении источника или наблюдателя (эффект Доплера). Наблюдатель, движущийся по направлению к источнику В. (любого вида), воспринимает несколько повышенную частоту по сравнению с неподвижным наблюдателем, между тем как наблюдатель, удаляющийся от источника В., воспринимает пониженную частоту. Аналогичное явление (качественно) имеет место также, когда наблюдатель неподвижен, а источник В. движется. Это явление называется Доплера эффектом .

  В. и лучи. Линия, направление которой в каждой точке совпадает с направлением потока энергии в В., называется лучом (рис. 9 , б). В изотропной среде это направление совпадает с направлением нормали к фронту В. Плоской В. соответствует параллельный пучок прямолинейных лучей, сферической В. – радиально расходящийся пучок и т.д. При некоторых условиях сложный расчёт распространения В. можно заменить более простым расчётом формы лучей. Этим пользуются в геометрической акустике и геометрической оптике . Такой упрощённый подход применим, когда длина В. достаточно мала по сравнению с некоторыми характерными размерами, например размерами препятствий, лежащих на пути распространения В., поперечными размерами фронта В., расстояний до точки, в которой сходятся В., и т.п.

  Излучение и распространение В. Для излучения В. необходимо произвести в среде некоторое возмущение за счёт внешнего источника энергии. Работа, совершаемая этим источником, за вычетом некоторых потерь превращается в энергию излучаемых В. Так, например, мембрана телефона или диафрагма громкоговорителя, получая энергию от электроакустического преобразователя , излучает звуковые В. Излучение В. производится всегда источниками ограниченных размеров, в результате чего возникает «расходящаяся» В. Только на достаточно большом расстоянии от источника эту В. можно принять за плоскую.

  Несмотря на разную природу В., закономерности, которыми определяется их распространение, имеют между собой много общего. Так, упругие В. в однородных жидкостях (газах) или электромагнитные В. в свободном пространстве (а в некоторых случаях и в пространстве, заполненном однородным изотропным диэлектриком), возникающие в какой-нибудь малой области («точке») и распространяющиеся без поглощения в окружающем пространстве, подчиняются одному и тому же волновому уравнению .

  Особого вида излучение В. имеет место при движении в среде тел со скоростями, большими, чем фазовые скорости В. в этой среде. Электрон, движущийся в какой-либо среде со скоростью, большей, чем фазовая скорость электромагнитных В., в этой среде излучает В. (Черенкова – Вавилова излучение ), при движении же со скоростью, меньшей фазовой скорости света в среде, это движение сопровождается лишь простым перемещением электрического и магнитного полей без перехода энергии движения в энергию излучения. Аналогично этому самолёт, движущийся со скоростью, большей скорости звука, излучает звуковую В. особого вида – ударную волну , и теряет на это определённую часть энергии. Излучением В. такого же происхождения, распространяющихся по поверхности воды, объясняется появление волнового сопротивления при движении корабля.

  Другие виды В. Известны также: а) температурные В., распространяющиеся в окрестности переменного во времени источника тепла; б) вязкие В. – поперечные (быстро затухающие) В. в вязкой жидкости; в) волны де Бройля , которыми в квантовой механике описывается поведение микрочастиц; г) гравитационные волны , излучаемые движущимися с ускорением массами.

  Лит.: Горелик Г. С., Колебания и волны, 2 изд., М., 1959; Красильников В. А., Звуковые и ультразвуковые волны в воздухе, воде и твердых телах, 3 изд., М., 1960; Бреховских Л. М., Волны в слоистых средах М., 1957.

  Л. М. Бреховских.

Рис. 7. а – дифракция света от края экрана; виден сложный переход от света к тени; б – кривая, характеризующая освещенность пространства между светом и тенью; край экрана в точке О.

Рис. 2. а – одиночная волна; б – цуг волн; в – бесконечная синусоидальная волна.

Рис. 11. Искажение формы синусоидальной волны большой интенсивности. На некотором расстоянии синусоидальная волна а превращается в пилообразную г (б и в – промежуточные стадии). Направление распространения волны справа налево.

Рис. 6. Дифракционная картина при падении света: а – на круглый экран; б – на круглое отверстие.

Рис. 10. Схема образования боковой волны.

Рис. 5. Образование тени при падении волны: а – на непрозрачное тело; б – на отверстие в непрозрачном экране (d – paзмер тела или отверстия).

Рис. 9. а – схема отражения и преломления плоской волны l₁ – длина падающей и отраженной волны, l₂ – длина преломленной волны); б – стрелки, изображающие лучи, соответствующие падающей отраженной и преломленной волнам.

Рис. 1. а – продольная волна; б – поперечная волна.

Рис. 4. Стоячая волна, возникшая в результате интерференции падающей и отраженной от препятствия АА волны; в точке а – узел колебания, в точках b – пучности.

Рис. 8. а – линейно-поляризованная волна; б – волна, поляризованная по кругу (Е – вектор, изображающий распространяющееся возмущение).

Рис. 3. Интерференция волн на поверхности воды, возбуждаемых в двух различных точках.

Волны в атмосфере

Во'лны в атмосфе'ре, процесс распространения периодических или почти периодических движений, налагающихся на общий перенос воздуха. Кроме упругих продольных звуковых и взрывных волн, в атмосфере существует несколько типов атмосферных волн, различных по происхождению и характеру со значительно бо'льшими длинами волн, о периодичности этих волн можно говорить лишь приближённо. К таким волнам относятся волны, развивающиеся на границе двух воздушных слоёв, движущихся с разными скоростями и имеющими различные плотности и температуры. При этом в гребнях волн, где имеет место восходящее движение воздуха, происходит охлаждение воздуха, содержащийся в нём водяной пар конденсируется, и образуются облака. В долинах волн, где возникают нисходящие течения, воздух нагревается и удаляется от состояния насыщения, и небо между гребнями остается чистым, в результате появляются гряды волнистых облаков. Аналогичный процесс происходит в так называемых горных волнах, возникающих при обтекании гор, возвышенностей и т.п. (см. рис. ). Колебательные движения продолжаются довольно долго после того, как данный объём воздуха миновал горное препятствие. Волны этого типа – короткие волны – широко распространены. Они влияют на полёт летательных аппаратов, часто порождая, например, болтанку самолётов. Амплитуда и длина волн этого типа тем больше, чем больше разность скоростей движущихся масс и чем меньше разность плотностей и температур. Длина волн – от сотен м до десятков км , а амплитуда до 1—2 км . Скорости восходящих движений, например, в гребнях горных волн могут достигать нескольких м/сек , этой их особенностью пользуются планеристы.

  Кроме коротких В. в а. (когда частицы колеблются в вертикальной плоскости), в атмосфере существуют волны крупного масштаба с длинами в сотни и тысячи км ; колебания в этом случае происходят преимущественно в горизонтальном направлении. Во-первых, это циклонические волны, возникающие на фронтах атмосферных , т. е. на границах между воздушными массами с разной температурой. При потере устойчивости эти волны приводят к образованию циклонов . Существуют также так называемые длинные волны: господствующий в средних широтах земной атмосферы западный поток является волнообразным; длина этих волн порядка нескольких тысяч км , так что по окружности земного шара обычно укладывается несколько (3—6) длинных волн. Одна из причин их возникновения – различие в температурных условиях континентов и океанов. Циклонические и длинные В. в а. определяют режим погоды над большими территориями; их изучение играет первостепенную роль для прогноза погоды.

  Существуют и другие типы В. в а.: волны тропопаузы – изменения высоты тропопаузы при перемещении в атмосфере циклонов и антициклонов; приливные волны, обусловленные притяжением Луны и Солнца (см. Приливы и отливы ); сейсмические волны, связанные с землетрясениями, а также с падением метеоритов.

  Н. П. Шакина.

Рисунок к ст. Волны в атмосфере.

Волны де Бройля

Во'лны де Бро'йля, волны, связанные с любой движущейся микрочастицей, отражающие их квантовую природу.

  Впервые квантовые свойства были обнаружены у электромагнитного поля. После исследования М. Планком законов теплового излучения тел (1900) в науку вошло представление о «световых порциях» – квантах электромагнитного поля. Эти кванты – фотоны – во многом похожи на частицы (корпускулы): они обладают определённой энергией и импульсом, взаимодействуют с веществом как целое. В то же время давно известны волновые свойства электромагнитного излучения – они проявляются, например, в явлениях дифракции и интерференции света. Таким образом, можно говорить о двойственной природе фотона, о корпускулярно-волновом дуализме.

  В 1924 Л. де Бройль выступил с поразительной по смелости гипотезой о том, что корпускулярно-волновой дуализм присущ всем без исключения видам материи – электронам, протонам, атомам и т.д., причём количественные соотношения между волновыми и корпускулярными свойствами частиц те же, что и установленные ранее для фотонов. А именно, если частица имеет энергию E и импульс p , то с ней связана волна, частота которой v = E /h и длина волны l = h/p , где h » 6·10^-27эрг·сек – постоянная Планка. Эти волны и получили название В. де Б.

  Для частиц не очень высокой энергии l = h/mv , где m и v – масса и скорость частицы. Таким образом, длина В. де Б. тем меньше, чем больше масса частицы и её скорость. Например, частице массой в 1 г , движущейся со скоростью 1 м/сек , будет соответствовать В. де Б. с l » 10^-18 Å, что лежит за пределами доступной наблюдению области. Поэтому ясно, что волновые свойства несущественны в механике макроскопических тел. Для электронов же с энергиями от 1 эв до 10 000 эв (1 эв = 1,6·10^-19дж ) длины В. де Б. лежат в пределах от 10 Å до 0,1 Å, т. е. в интервале длин волн рентгеновых лучей. Поэтому волновые свойства электронов должны проявиться, например, при их рассеянии на тех же кристаллах, на которых наблюдается дифракция рентгеновых лучей.

  Первое экспериментальное подтверждение гипотезы де Бройля было получено в 1927 в опытах К. Дэвиссона и Л. Джермера . Пучок электронов ускорялся в электрическом поле с разностью потенциалов 100—150 в (энергия таких электронов 100—150 эв , что соответствует l » 1 Å) и падал на кристалл никеля, играющий роль пространственной дифракционной решётки . Было установлено, что электроны дифрагируют на кристалле, причём именно так, как должно быть для волн, длина которых определяется соотношением де Бройля. Волновые свойства электронов, нейтронов и других частиц, а также атомов и молекул теперь не только надёжно доказаны прямыми опытами, но и широко используются в установках с высокой разрешающей способностью, так что можно говорить об инженерном использовании В. де Б. (см. Дифракция частиц ).

  Подтверждённая на опыте идея де Бройля о двойственной природе микрочастиц принципиально изменила представления об облике микромира. Если раньше частицы, например электроны, абсолютно противопоставлялись волнам, в частности электромагнитным, то гипотеза об универсальности корпускулярно-волнового дуализма существенно изменила положение. Поскольку всем микрообъектам (по традиции за ними сохраняется термин «частицы») присущи и корпускулярные, и волновые свойства, то, очевидно, любую из этих «частиц» нельзя считать ни частицей, ни волной в классическом понимании этих слов. Возникла потребность в такой теории, в которой волновые и корпускулярные свойства материи выступали бы не как исключающие, а как взаимно дополняющие друг друга. В основу такой теории – волновой, или квантовой механики – и легла концепция де Бройля, уточнение которой привело к вероятностной интерпретации В. де Б.

  Однако еще до построения квантовой механики было сделано несколько попыток увязать корпускулярные свойства с волновыми. Самая интересная из них – попытка рассматривать частицу как волновой пакет . При наложении ряда (вообще говоря, бесконечного числа) распространяющихся примерно по одному направлению монохроматических волн с близкими частотами результирующая волна может приобрести вид летящего в пространстве «всплеска», т. е. в какой-то области амплитуда такой совокупности волн значительна, а вне этой области исчезающе мала. Такой «всплеск», или пакет, волн и предлагалось рассматривать как частицу, составленную из В. де Б. Сильным аргументом в пользу этой идеи являлось то, что скорость распространения центра пакета (групповая скорость) оказалась равной механической скорости частицы. Однако скорость волны зависит от её частоты, поэтому скорости слагающих пакет В. де Б. различны и со временем пакет должен расплываться (а при определённых условиях может даже разделиться на несколько пакетов). Следовательно, представление о частицах как о волновых пакетах ошибочно.

  Общепринятая интерпретация В. де Б. была дана М. Борном (1926), выдвинувшим идею о том, что волновым законам подчиняется величина, описывающая состояние частицы, т. е. её волновая функция y, квадрат которой определяет вероятность обнаружить частицу в различных точках и в различные моменты времени. Волновая функция свободной частицы с точно заданным импульсом и является В. де Б. В этом случае |y|² = const, т. е. вероятность обнаружить частицу во всех точках одинакова. Таким образом, В. де Б. – не какие-либо физические материальные волны, а волны вероятности.

  Лит. см. при ст. Квантовая механика .

  В. И. Григорьев.

Волны жизни

Во'лны жи'зни, колебания (или флюктуации) численности особей в популяции . Термин введён русским биологом С. С. Четвериковым в 1915. Подобные колебания численности могут быть сезонными или несезонными, повторяющимися через различные промежутки времени; обычно они тем длиннее, чем продолжительнее цикл развития организмов. Часто В. ж. сопровождаются колебаниями ареала популяций. Четвериков указал на эволюционное значение В. ж. в качестве фактора, могущего изменять направление и интенсивность отбора, а также концентрации генов, содержащихся в популяциях. Впоследствии термин «В. ж.» был заменён понятием популяционные волны (один из 4 элементарных эволюционных факторов – мутационный процесс, популяционные волны, изоляция и естественный отбор). Основное значение В. ж. сводится к случайным изменениям концентраций (особенно невысоких) различных мутаций и генотипов , содержащихся в популяциях, а также к ослаблению давления отбора при увеличении и его усилению при уменьшении численности особей в популяции. Под термином «В. ж.» иногда (советский геолог Б. Л. Личков и некоторые др.) также подразумевают этапы развития растительного и животного мира, примерно соответствующие смене геологических циклов.

  Лит.: Тимофеев-Ресовский Н. В., Микроэволюция, элементарные явления, материал и факторы микроэволюционного процесса, «Ботанический журнал», 1958, т. 43, №3.

  Н. В. Тимофеев-Ресовский.

Назад к карточке книги "Большая Советская Энциклопедия (ВО)"