Эдвард Виктор Эпплтон - Edward Victor Appleton

Эдвард Виктор Эпплтон
Appleton.jpg
Родился ( 1892-09-06 )6 сентября 1892 г.
Умер 21 апреля 1965 г. (1965-04-21)(72 года)
Эдинбург , Шотландия
Национальность английский
Альма-матер Колледж Святого Иоанна, Кембридж
Известен Физика ионосферы
Эплтоновский слой
Демонстрация существования слоя Кеннелли – Хевисайда
Награды Нобелевская премия по физике (1947)
Член Королевского общества (1927)
Медаль Хьюза (1933)
Медаль Фарадея (1946)
Медаль Кри (1947)
Королевская медаль (1950)
Медаль Альберта (1950)
Почетная медаль IEEE (1962)
Научная карьера
Поля Физика
Учреждения Брэдфордский колледж
Королевский колледж Лондонского
Кембриджского
университета Эдинбургский университет
Лаборатория Кавендиша
Академические консультанты Джей Джей Томсон
Эрнест Резерфорд
Известные студенты Дж. А. Рэтклифф
Чарльз Оутли
Под влиянием Майлз Барнетт

Сэр Эдвард Виктор Эпплтон GBE KCB FRS (6 сентября 1892 - 21 апреля 1965) был английским физиком , лауреатом Нобелевской премии (1947) и пионером в области радиофизики . Он учился, а также работал лаборантом в Брэдфордском колледже с 1909 по 1911 год.

Он получил Нобелевскую премию по физике в 1947 году за свою основополагающую работу, доказавшую существование ионосферы в ходе экспериментов, проведенных в 1924 году.

биография

Могила сэра Эдварда Виктора Эпплтона, кладбище Морнингсайд, Эдинбург

Эпплтон родился в Брэдфорде , Западный райдинг Йоркшира , в семье Питера Эпплтона, кладовщика, и Мэри Уилкок, и получил образование в гимназии Хэнсона .

В 1911 году, в возрасте 18 лет, он получил стипендию для учебы в колледже Святого Иоанна в Кембридже , который в 1913 году окончил с отличием по естествознанию и физике. Он также был членом Университетской ложи Исаака Ньютона .

Во время Первой мировой войны он присоединился к Западному верховному полку , а затем перешел в Королевскую инженерную службу . Вернувшись с активной службы во время Первой мировой войны , Эпплтон стал помощником демонстратора экспериментальной физики в Кавендишской лаборатории в 1920 году. В 1922 году он был посвящен в масонство . Он был профессором физики в Королевском колледже Лондона (1924–36) и профессором естественной философии в Кембриджском университете (1936–39). С 1939 по 1949 год он был секретарем отдела научных и производственных исследований . В 1941 году он был посвящен в рыцари, а в 1947 году получил Нобелевскую премию по физике за свой вклад в изучение ионосферы , что привело к созданию радара .

С 1949 года до своей смерти в 1965 году Эпплтон был директором и проректором Эдинбургского университета . В 1956 году BBC пригласила его читать ежегодные лекции Рейта . В серии из шести радиопередач под названием « Наука и нация» он исследовал многие аспекты научной деятельности в Великобритании того времени.

Сэр Эдвард похоронен на кладбище Морнингсайд в Эдинбурге вместе со своей женой Хелен Ленни (ум. 1983). Могила лежит на крайней западной стороне возле нового корпуса на северо-западе.

Работает

Эпплтон заметил, что сила радиосигнала от передатчика на такой частоте, как средний диапазон волн и на пути в сотню миль или около того, была постоянной в течение дня, но менялась в течение ночи. Это заставило его поверить в возможность приема двух радиосигналов. Один летел по земле, а другой отражался слоем в верхних слоях атмосферы. Затухание или изменение мощности всего принятого радиосигнала является результатом интерференционной картины двух сигналов.

Само по себе существование отражающего слоя атмосферы не было совершенно новой идеей. Бальфур Стюарт предложил идею в конце 19 века для объяснения ритмических изменений магнитного поля Земли. Совсем недавно, в 1902 году, Оливер Хевисайд и Артур Э. Кеннелли предположили, что такая отражающая электромагнитное поле пласта, теперь называемая слоем Кеннелли-Хевисайда , может объяснить успех Маркони в передаче своих сигналов через Атлантику. Расчеты показали, что естественного изгиба радиоволн недостаточно, чтобы помешать им просто «выстрелить» в пустое пространство до того, как они достигнут приемника.

Эпплтон считал, что лучшее место для поиска свидетельств существования ионосферы - это вариации, которые, по его мнению, она вызывала около заката в приемах радиосигнала. Было разумно предположить, что эти изменения были вызваны интерференцией двух волн, но это был дополнительный шаг, чтобы показать, что вторая волна, вызывающая интерференцию (первая - это земная волна), идет из ионосферы. В разработанном им эксперименте было два метода для демонстрации влияния ионосферы, и оба позволяли определить высоту нижней границы отражения (то есть нижней границы отражающего слоя). Первый метод назывался частотной модуляцией, а второй заключался в вычислении угла прихода отраженного сигнала на приемную антенну.

Метод частотной модуляции использует тот факт, что существует разница в пути между земной волной и отраженной волной, что означает, что они проходят разные расстояния от отправителя к получателю.

Пусть расстояние AC, пройденное земной волной, равно h, а расстояние ABC, пройденное отраженной волной, h '. Разница в пути:

Длина волны передаваемого сигнала λ. Разница в количестве длин волн между путями h и h 'составляет:

Если N - целое число, то возникнут конструктивные помехи, это означает, что на принимающей стороне будет достигнут максимальный сигнал. Если N - нечетное целое число половин длин волн, тогда возникнет деструктивная помеха и будет принят минимальный сигнал. Предположим, мы получаем максимальный сигнал для данной длины волны λ. Если мы начнем изменять λ, это процесс, называемый частотной модуляцией, N больше не будет целым числом, и начнут возникать деструктивные помехи, что означает, что сигнал начнет затухать. Теперь мы продолжаем изменять λ до тех пор, пока снова не будет получен максимальный сигнал. Это означает, что для нашего нового значения λ 'наше новое значение N' также является целым числом. Если мы удлинили λ, то мы знаем, что N 'на единицу меньше N. Таким образом:

Перестановка для D дает:

Поскольку мы знаем λ и λ ', мы можем вычислить D. Используя приближение, что ABC является равнобедренным треугольником, мы можем использовать наше значение D для вычисления высоты отражающего слоя. Этот метод представляет собой немного упрощенную версию метода, использованного Эпплтоном и его коллегами для определения первого значения высоты ионосферы в 1924 году. В своем эксперименте они использовали радиовещательную станцию BBC в Борнмуте для изменения длины волны ее излучения. после окончания вечерних программ. Они установили приемную станцию ​​в Оксфорде, чтобы отслеживать эффекты помех. Приемная станция должна была находиться в Оксфорде, поскольку в те дни не было подходящего излучателя на нужном расстоянии примерно в 100 км от Кембриджа .

Этот метод частотной модуляции показал, что точка, от которой отражались волны, находилась примерно в 56 милях (90 км). Однако он не установил, что волны отражались сверху, на самом деле они могли исходить с холмов где-то между Оксфордом и Борнмутом. Второй метод, заключавшийся в определении угла падения отраженных волн на приемник, точно показал, что они идут сверху. Триангуляции под этим углом дали результаты для высоты отражения, совместимые с методом частотной модуляции. Мы не будем вдаваться в подробности этого метода, поскольку он включает в себя довольно сложные вычисления с использованием электромагнитной теории Максвелла.

Успех эксперимента Оксфорд-Борнмут далек от того, чтобы быть окончательным, он открыл обширную новую область исследований, которую необходимо исследовать. Он показал, что действительно существует отражающий слой высоко над землей, но также вызвал много новых вопросов. Каков был состав этого слоя, как он отражал волны, был ли он одинаковым по всей Земле, почему его эффекты так резко менялись между днем ​​и ночью, менялись ли они в течение года? Эпплтон проведет остаток своей жизни, отвечая на эти вопросы. Он разработал магнито-ионную теорию, основанную на предыдущей работе Лоренца и Максвелла, по моделированию работы этой части атмосферы. Используя эту теорию и дальнейшие эксперименты, он показал, что так называемый слой Кеннелли-Хевисайда сильно ионизирован и, следовательно, проводит. Это привело к термину ионосфера. Он показал, что свободные электроны являются ионизирующими агентами. Он обнаружил, что через слой могут проникать волны выше определенной частоты и что эту критическую частоту можно использовать для расчета электронной плотности в слое. Однако эти проникающие волны также будут отражаться обратно, но от гораздо более высокого слоя. Это показало, что ионосфера имеет гораздо более сложную структуру, чем предполагалось вначале. Нижний уровень был обозначен E - Layer, отражал более длинные волны и находился на расстоянии примерно 78 миль (125 км). Высокий уровень, который имел гораздо более высокую плотность электронов, был обозначен как F-слой и мог отражать гораздо более короткие длины волн, которые проникали в нижний слой. Он расположен на высоте 186 - 248 миль (300 - 400 км) над поверхностью земли. Это то, что часто называют слоем Appleton, поскольку он отвечает за обеспечение большинства коротковолновых телекоммуникаций на большие расстояния.

Магнито-ионная теория также позволила Эпплтону объяснить происхождение таинственных причуд, которые слышали по радио на закате. Днем солнечный свет вызывает ионизацию молекул в воздухе даже на довольно малых высотах. На этих малых высотах плотность воздуха велика и, следовательно, концентрация электронов в ионизированном воздухе очень велика. Из-за этой сильной ионизации происходит сильное поглощение электромагнитных волн, вызванное «электронным трением». Таким образом, при передаче на любое расстояние не будет отражений, поскольку любые волны, кроме волны на уровне земли, будут скорее поглощаться, чем отражаться. Однако, когда солнце садится, молекулы медленно начинают рекомбинировать со своими электронами, и уровни плотности свободных электронов падают. Это означает, что скорость поглощения уменьшается, и волны могут отражаться с достаточной силой, чтобы их можно было заметить, что приводит к явлениям интерференции, о которых мы упоминали. Однако для появления этих интерференционных картин должно быть не просто наличие отраженной волны, а изменение отраженной волны. В противном случае помехи будут постоянными, и увядания не будут слышны. Принимаемый сигнал будет просто громче или тише, чем днем. Это говорит о том, что высота, на которой происходит отражение, должна медленно меняться с заходом солнца. Аплтон обнаружил, что она увеличивалась с заходом солнца и затем уменьшалась по мере восхода солнца, пока отраженная волна не стала слишком слабой для регистрации. Этот вариант совместим с теорией, согласно которой ионизация происходит из-за влияния солнца. На закате интенсивность солнечного излучения на поверхности Земли будет намного меньше, чем наверху в атмосфере. Это означает, что ионная рекомбинация будет медленно прогрессировать от более низких высот к более высоким, и поэтому высота, на которой отражаются волны, медленно увеличивается с заходом солнца.

Основная идея работы Эпплтона настолько проста, что сначала трудно понять, как он посвятил почти всю свою научную карьеру ее изучению. Однако в последних парах параграфов были представлены некоторые сложности этого предмета. Как и во многих других областях, эта область становится все более сложной по мере ее изучения. К концу его жизни ионосферные обсерватории были созданы по всему миру для создания глобальной карты отражающих слоев. Были обнаружены связи с 11-летним циклом солнечных пятен и северным сиянием - магнитными бурями, происходящими в высоких широтах. Это стало особенно актуальным во время Второй мировой войны, когда штормы приводили к отключениям радиосвязи. Благодаря исследованиям Эпплтона, можно было предсказать периоды, когда это произойдет, и переключить связь на длины волн, которые будут меньше всего затронуты. Радар , еще одно важное нововведение военного времени, появился благодаря работе Эпплтона. В самом общем плане его исследования заключались в определении расстояния до отражающих объектов от передатчиков радиосигналов. Это в точности идея радара и мигающих точек, которые появляются на экране (электронно-лучевая трубка), просматриваемых циркулирующей полосой «поисковика». Эта система была частично разработана Appleton как новый метод, называемый импульсным методом, для проведения ионосферных измерений. Позже Роберт Уотсон-Ватт приспособил его для обнаружения самолетов. В настоящее время ионосферные данные важны при рассмотрении связи со спутниками. Необходимо выбрать правильные частоты для этих сигналов, чтобы они действительно достигли спутников без отражения или отклонения раньше.

В 1974 году Станция радио и космических исследований была переименована в Лабораторию Аплтона в честь человека, который так много сделал для того, чтобы Великобритания стала ведущей силой в исследованиях ионосферы, и участвовал в работе станции сначала в качестве исследователя, а затем в качестве секретаря. его головного органа, Департамента научных и промышленных исследований.

Почести и награды

Appleton был удостоен следующих наград:

Кроме того, в его честь названы:

Художественное признание

Портрет Эпплтона работы Уильяма Хатчисона висит в Старом колледже Эдинбургского университета .

Смотрите также

использованная литература

  • Appleton, EV; Рэтклифф, Дж. А. (1929). Физические принципы беспроводной связи . Метуэн.
  • Лекции IET Appleton
  • Эдвард Виктор Эпплтон на Nobelprize.org Отредактируйте это в Викиданныхс Нобелевской лекцией, 12 декабря 1947 г. Ионосфера (Цитата: Нобелевская премия по физике: 1947 г.) "за исследования физики верхних слоев атмосферы, особенно за открытие так называемого слоя Аплтона. . "
  • «Сэр Эдвард Виктор Эпплтон (1892–1965): Эпплтон был английским физиком и лауреатом Нобелевской премии, открывшим ионосферу». Исторические фигуры , bbc.co.uk . Доступ 21 октября 2007 г. (Фотография Эпплтона, 1935 г. ©). [Предоставляет ссылку на аккаунт фонда Nobel, указанный выше.]
  • Наука и нация Лекции BBC Reith , 1956, Эдвард Эпплтон
  • Дэвис, Крис. «Клад в подвале» . Закулисная наука . Брэди Харан .

внешние ссылки

Академические офисы
Предшественник
сэра Джона Фрейзера
Директора Эдинбургского университета
1948–1965
Преемник
Майкл Суонн