Эдвард Виктор Эпплтон - Edward Victor Appleton

Эдвард Виктор Эпплтон
Родился	(1892-09-06)6 сентября 1892 г. Брэдфорд, Западная верховая езда Йоркшира, Англия
Умер	21 апреля 1965 г.(1965-04-21) (72 года) Эдинбург, Шотландия
Национальность	английский
Альма-матер	Колледж Святого Иоанна, Кембридж
Известен	Ионосферная физика[1][2] Слой Апплтона Демонстрируя существование Кеннелли – Хевисайд несушка
Награды	Нобелевская премия по физике (1947) Член Королевского общества (1927)[3] Медаль Хьюза (1933) Медаль Фарадея (1946) Медаль Кри (1947) Королевская медаль (1950) Медаль Альберта (1950) Почетная медаль IEEE (1962)
Научная карьера
Поля	Физика
Учреждения	Брэдфорд Колледж Королевский колледж Лондона Кембриджский университет Эдинбургский университет Кавендишская лаборатория
Академические консультанты	Дж. Дж. Томсон Эрнест Резерфорд
Известные студенты	Дж. А. Рэтклифф Чарльз Оатли

Могила сэра Эдварда Виктора Эпплтона, кладбище Морнингсайд, Эдинбург

Сэр Эдвард Виктор Эпплтон GBE KCB ФРС^[3] (6 сентября 1892 - 21 апреля 1965) был англичанином физик,^[4][5] Лауреат Нобелевской премии (1947) и пионер в радиофизика. Он учился, а также работал лаборантом в Брэдфорд Колледж с 1909 по 1911 гг.

Он выиграл Нобелевская премия по физике в 1947 году за его основополагающую работу, доказавшую существование ионосфера во время опытов, проведенных в 1924 г.

биография

Эпплтон родился в Брэдфорд, Западная верховая езда Йоркшира, сын Питера Эпплтона, кладовщика, и Мэри Уилкок,^[6] и получил образование в Hanson Grammar School, дневная.

В 1911 году, в возрасте 18 лет, он получил стипендию для посещения Колледж Святого Иоанна, Кембридж, где он закончил с отличием первой степени по естествознанию и физике в 1913 году.

В течение Первая мировая война он присоединился к Западный верховой полк, а позже переведен в Инженерные войска. После возвращения из активной службы в Первая мировая война, Эпплтон стал помощником демонстратора экспериментальной физики в Кавендишская лаборатория в 1920 году. В 1922 году он был посвящен в Масонство.^[7] Он был профессором физики в Королевский колледж Лондона (1924–36) и профессор естественной философии Кембриджский университет (1936–39). С 1939 по 1949 год он был секретарем Отдел научных и производственных исследований. В 1941 г. был посвящен в рыцари, в 1947 г. Нобелевская премия по физике за его вклад в познание ионосфера,^[2] что привело к развитию радар.

С 1949 года до своей смерти в 1965 году Эпплтон был директором и вице-канцлером Эдинбургский университет.^[8] В 1956 году BBC пригласила его выступить с ежегодным Рейт лекции. В серии из шести радиопередач под названием Наука и нация, он исследовал многие аспекты научной деятельности в Великобритании в то время.

Сэр Эдвард похоронен в Эдинбурге. Кладбище Морнингсайд^[9] с женой Хелен Ленни (ум. 1983). Могила находится на крайней западной стороне возле нового корпуса на северо-западе.

Работает

Эпплтон заметил, что мощность радиосигнала от передатчика на такой частоте, как диапазон средних 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 получения двух радиосигналов. Один летел по земле, а другой отражался слоем в верхних слоях атмосферы. Затухание или изменение силы всего принятого радиосигнала вызвано вмешательство образец 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 предложил такой электромагнитно-отражающий слой, который теперь называется Кеннелли-Хевисайд несушка, 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, прежде чем 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 радиосигналов. 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 использовалось 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:

${ displaystyle h'-h = D}$

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

${ displaystyle { frac {h-h '} { lambda}} = { frac {D} { lambda}} = N}$

Если N - целое число, возникнет конструктивная помеха, это означает, что на принимающей стороне будет достигнут максимальный сигнал. Если N - нечетное целое число половин длин волн, то 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, то есть сигнал начнет затухать. Теперь мы продолжаем изменять λ, пока снова не будет получен максимальный сигнал. Это означает, что для нашего нового значения λ ’новое значение N’ также является целым числом. Если мы удлинили λ, то мы знаем, что N ’на единицу меньше N. Таким образом:

${ displaystyle N-N '= { frac {D} { lambda}} - { frac {D} { lambda'}} = 1}$

Перестановка для D дает:

${ displaystyle D = h-h '= { frac {1} {{ frac {1} { lambda}} - { frac {1} { lambda'}}}}}$

Поскольку мы знаем λ и λ ’, мы можем вычислить D. Используя приближение, что ABC является равнобедренным треугольником, мы можем использовать наше значение D для расчета 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 BBC радиостанция в Борнмут изменять длину волны излучения после окончания вечерних программ. Они установили приемную станцию ​​в Оксфорд для наблюдения за интерференционными эффектами. Приемная станция должна была находиться в Оксфорде, поскольку не было подходящего излучателя на нужном расстоянии примерно в 62 миль (100 км) от Кембридж в те дни.

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. Триангуляция под этим углом дала результаты для высоты отражения, совместимые с методом частотной модуляции. Мы не будем вдаваться в подробности этого метода, поскольку он включает 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 изучить. 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 днем ​​и ночью, менялись ли они в течение года? Эпплтон проведет остаток своей жизни, отвечая на эти вопросы. Он разработал магнито-ионную теорию на основе предыдущей работы Лоренц и Максвелл для моделирования работы этой части атмосферы. Используя эту теорию и дальнейшие эксперименты, он показал, что так называемые Кеннелли-Хевисайд несушка был сильно ионизирован и, следовательно, проводил. Это привело к термину ионосфера. Он показал, что свободные электроны являются ионизирующими агентами. Он обнаружил, что через слой могут проникать волны с частотой выше определенной, 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. 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 большей части коротковолновой связи на большие расстояния.^[10]

Магнито-ионная теория также позволила Эпплтону объяснить происхождение таинственных причуд, которые слышали по радио на закате. Днем солнечный свет заставляет молекулы в воздухе ионизироваться 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 возникновения этих интерференционных картин должно быть не просто присутствие отраженной волны, но изменение отраженной волны. В противном случае помехи будут постоянными, и увядания не будут слышны. Принимаемый сигнал будет просто громче или тише, чем днем. Это предполагает, 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 о том, что 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 последней паре абзацев 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 Северное сияние, магнитные бури, происходящие в высоких широтах. Это стало особенно актуальным во время Вторая мировая война когда штормы приведут к отключению радиосвязи. Благодаря исследованиям Эпплтона, можно было предсказать периоды, когда это произойдет, и переключить связь на длины волн, которые пострадали бы меньше всего. Радар еще одно важное нововведение военного времени, появившееся 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 движущейся полосой «поисковика». Эта система была частично разработана Appleton как новый метод, называемый импульсным методом, для проведения ионосферных измерений. Позже он был адаптирован Роберт Уотсон-Ватт для обнаружения самолетов. В настоящее время ионосферные данные важны при рассмотрении связи со спутниками. Необходимо выбрать правильные частоты для этих сигналов, чтобы они действительно доходили до спутников без отражения или отклонения раньше.

В 1974 г. Станция радио и космических исследований был переименован в Лаборатория Appleton в честь человека, который так много сделал для утверждения Великобритании в качестве ведущей силы в исследованиях ионосферы, и участвовал в работе станции сначала в качестве исследователя, а затем в качестве секретаря ее головного органа - Департамента научных и промышленных исследований.

Почести и награды

Appleton получил следующие награды:

• Сотрудник Королевское общество (1927)^[3]
• Иностранный почетный член Американская академия искусств и наук (1936)^[11]
• Нобелевская премия по физике (1947)
• Медаль Фарадея
• Медаль Хьюза
• Королевская медаль
• Медаль Кри

Кроме того, в его честь названы:

• Лаборатория Резерфорда Эпплтона
• Медаль Эпплтона и приз
• Люкс Appleton в ЗАГСе Брэдфорда
• Appleton Tower на Эдинбургский университет
• Научное здание Appleton в Брэдфорд Колледж
• Appleton Academy, школа в Wyke район города Брэдфорд
• Appleton кратер на Луна назван в его честь.
• Слой Апплтона, который является более высоким ионизированным слоем атмосферы над слоем E
• Годовой Лекция Appleton на Институт инженерии и технологий

Художественное признание

Портрет Эпплтона, автор Уильям Хатчисон висит в Старый колледж, Эдинбургский университет.

Смотрите также

• Журнал атмосферной и земной физики, основанная Appleton

использованная литература

• Appleton, EV; Рэтклифф, Дж. А. (1929). Физические принципы беспроводной связи. Метуэн.
• Лекции IET Appleton
• Эдвард Виктор Эпплтон на Nobelprize.org с 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 личности, bbc.co.uk. Доступ 21 октября 2007 г. (Фотография Эпплтона, 1935 г. ©). [Предоставляет ссылку на аккаунт фонда Nobel, указанный выше.]
• Наука и нация Би-би-си Рейт лекции, 1956, Эдвард Эпплтон
• Дэвис, Крис. «Сокровище в подвале». Закулисная наука. Брэди Харан.

внешняя ссылка

• Вырезки из газет об Эдварде Викторе Эпплтоне в Архив прессы ХХ века из ZBW