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波数はすうベクトル

出典しゅってん: フリー百科ひゃっか事典じてん『ウィキペディア(Wikipedia)』

物理ぶつりがくにおける波数はすうベクトルとは、波動はどう記述きじゅつするのにもちいられるベクトルである。 すべてのベクトルのようにおおきさと方向ほうこうち、これら両方りょうほう重要じゅうようである。 そのおおきさはなみ波数はすうまたはすみ波数はすうであり、波長はちょう反比例はんぴれいする。 その方向ほうこう通常つうじょう波動はどう伝播でんぱ英語えいごばん方向ほうこうであるが、いつもそうとはかぎらない(以下いか参照さんしょう)。

特殊とくしゅ相対そうたいろん文脈ぶんみゃくでは、波数はすうベクトルは4げんベクトルとしても定義ていぎできる。

定義ていぎ

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サイン波長はちょうλらむだしめされるように、となった頂点ちょうてんまたはたにまたはとなったゼロ交差こうさのようなおな位相いそうをもつ2つのてんあいだはかることができる。

波数はすうベクトルには2つの一般いっぱんてき定義ていぎがあり、おおきさが因子いんし2πだけことなる。 1つ定義ていぎ物理ぶつりがくなどでもちいられ、もうひとつの定義ていぎ結晶けっしょうがくなどでもちいられる。 [1] この記事きじではそれらを「物理ぶつりがく定義ていぎ」と「結晶けっしょうがく定義ていぎ」とそれぞれぶ。

物理ぶつりがく定義ていぎ

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理想りそうてきな1次元じげん進行しんこうつぎ方程式ほうていしきしたがう。

ここで、

  • x位置いち
  • t時間じかん
  • (xt関数かんすう)はなみ記述きじゅつする攪乱かくらん(たとえば海洋かいようにおけるみずたかさであり、音波おんぱにおける空気圧くうきあつである)。
  • Aなみ振幅しんぷく
  • は「位相いそうかく」で、2つのなみがおたがいにどれだけ同期どうきしていないかを記述きじゅつする。
  • なみ時間じかんてきすみ周波数しゅうはすうで、単位たんい時間じかんあたりどれだけ沢山たくさん振動しんどう完了かんりょうするかを記述きじゅつする。周期しゅうき方程式ほうていしきによって関連かんれんしている。
  • なみ空間くうかんてきかく周波数しゅうはすう波数はすう)であり、単位たんい空間くうかんあたりどれだけ沢山たくさん振動しんどう完了かんりょうするかを記述きじゅつする。波長はちょうしきによって関連かんれんしている。

この波動はどうは+xの方向ほうこう速度そくど(より正確せいかくには位相いそう速度そくど進行しんこうする。

結晶けっしょうがく定義ていぎ

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結晶けっしょうがくにおいて、おな波動はどうはわずかにことなる方程式ほうていしきもちいて記述きじゅつされる。 [2] 1次元じげんと3次元じげんではそれぞれ、

ちがいは、

  • すみ周波数しゅうはすうわりに周波数しゅうはすうもちいられる。これらは関係かんけいにある。この記事きじにおいてこのえは重要じゅうようではないが、結晶けっしょうがく一般いっぱんてき慣習かんしゅう反映はんえいしている。
  • 波数はすうk波数はすうベクトルkことなる方法ほうほう定義ていぎされる。上述じょうじゅつ物理ぶつりがく定義ていぎではであるが、一方いっぽうここではである。

k方向ほうこう以下いか議論ぎろんする。

波数はすうベクトルの方向ほうこう

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波数はすうベクトルが方向ほうこうは「波動はどう伝播でんぱ方向ほうこう」とは区別くべつしなければならない。 「波動はどう伝播でんぱ方向ほうこう」は波動はどうのエネルギーながれの方向ほうこうであり、ちいさななみたばうご方向ほうこう、つまりぐん速度そくど方向ほうこうである。 光波こうはでは、これはポインティングベクトル方向ほうこうでもある。 一方いっぽう波数はすうベクトルは位相いそう速度そくど方向ほうこうす。 いいかえれば波数はすうベクトルは、定位ていいしょうめん波面はめんともばれる)の法線ほうせん方向ほうこうす。

損失そんしつひとしかたせい媒質ばいしつ(空気くうきすべての気体きたいガラスのようないくつかの固体こたいなど)において、波数はすうベクトルの方向ほうこう波動はどう伝播でんぱ方向ほうこうまったおなじである。 媒質ばいしつ損失そんしつおおきい場合ばあい一般いっぱんてき波数はすうベクトルは波動はどう伝播でんぱ方向ほうこう以外いがい方向ほうこうす。 波数はすうベクトルが波動はどう伝播でんぱする方向ほうこうおなじである条件じょうけんは、波動はどう均一きんいつであることであり、媒質ばいしつ損失そんしつおおきいときはかならずしもそうとはかぎらない。 均一きんいつ波動はどうにおいて定位ていいしょうめんは、一定いってい振幅しんぷくめんでもある。 均一きんいつ波動はどうでは、これら2つの種類しゅるいめん方向ほうこうことなる。 波数はすうベクトルはつね一定いってい位相いそうめん垂直すいちょくである。

たとえば、非対称ひたいしょう結晶けっしょうちゅう光波こうは堆積岩たいせきがんなか音波おんぱのように、波動はどうあやかたせい媒質ばいしつなか進行しんこうするとき、波数はすうベクトルは波動はどう伝播でんぱ方向ほうこうかならずしもすわけではない。 [3] [4]

固体こたい物理ぶつりがく

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固体こたい物理ぶつりがくにおいて、結晶けっしょうなか電子でんしせいあなの「波数はすうベクトル」(k-ベクトルともばれる)は、その量子力学りょうしりきがくてき波動はどう関数かんすう波数はすうベクトルである。 それらの電子でんしは、通常つうじょうのサインではなく、サインである一種いっしゅの「包絡ほうらく関数かんすう英語えいごばん」をち、波数はすうベクトルは通常つうじょう物理ぶつりがく定義ていぎ」をもちいてその包絡ほうらくもちいて定義ていぎされる。 詳細しょうさいブロッホ参照さんしょう[5]

関連かんれん項目こうもく

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引用いんよう

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  1. ^ Physics definition example:Harris, Benenson, Stocker (2002). Handbook of Physics. p. 288. ISBN 978-0-387-95269-7. https://books.google.com/books?id=c60mCxGRMR8C&pg=PA288 .Crystallography definition example: Va?nshte?n (1994). Modern Crystallography. p. 259. ISBN 978-3-540-56558-1. https://books.google.com/books?id=xjIGV_hPiysC&pg=PA259 
  2. ^ Va?nshte?n, Boris Konstantinovich (1994). Modern Crystallography. p. 259. ISBN 978-3-540-56558-1. https://books.google.com/books?id=xjIGV_hPiysC&pg=PA259 
  3. ^ Fowles, Grant (1968). Introduction to modern optics. Holt, Rinehart, and Winston. p. 177 
  4. ^ "This effect has been explained by Musgrave (1959) who has shown that the energy of an elastic wave in an anisotropic medium will not, in general, travel along the same path as the normal to the plane wavefront...", Sound waves in solids by Pollard, 1977. link
  5. ^ Donald H. Menzel (1960). “§10.5 Bloch waves”. Fundamental Formulas of Physics, Volume 2 (Reprint of Prentice-Hall 1955 2nd ed.). Courier-Dover. p. 624. ISBN 0486605965. https://books.google.com/books?id=-miofZvrH2sC&pg=PA624 

参考さんこう文献ぶんけん

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  • Brau, Charles A. (2004). Modern Problems in Classical Electrodynamics. Oxford University Press. ISBN 0-19-514665-4