Edward Victor Appleton - Edward Victor Appleton

Edward Victor Appleton
narozený	( 1892-09-06 )06.09.1892 Bradford , West Riding of Yorkshire , Anglie
Zemřel	21.dubna 1965 (1965-04-21)(ve věku 72) Edinburgh , Skotsko
Státní příslušnost	Angličtina
Alma mater	St John's College, Cambridge
Známý jako	Ionosférická fyzika Appletonová vrstva Demonstrace existence vrstvy Kennelly – Heaviside
Ocenění	Nobelova cena za fyziku (1947) Fellow of the Royal Society (1927) Hughes Medal (1933) Faraday Medal (1946) Chree Medal (1947) Royal Medal (1950) Albert Medal (1950) IEEE Medal of Honor (1962)
Vědecká kariéra
Pole	Fyzika
Instituce	Bradford College King's College London University of Cambridge University of Edinburgh Cavendish Laboratory
Akademičtí poradci	JJ Thomson Ernest Rutherford
Pozoruhodní studenti	JA Ratcliffe Charles Oatley
Ovlivněn	Miles Barnett

Sir Edward Victor Appleton GBE KCB FRS (6. září 1892 - 21. dubna 1965) byl anglický fyzik , nositel Nobelovy ceny (1947) a průkopník v oblasti radiofyziky . Studoval a byl také zaměstnán jako laboratorní technik na Bradford College v letech 1909 až 1911.

V roce 1947 získal Nobelovu cenu za fyziku za klíčovou práci prokazující existenci ionosféry během experimentů prováděných v roce 1924.

Životopis

Hrob sira Edwarda Victora Appletona, hřbitov Morningside, Edinburgh

Appleton se narodil v Bradfordu , West Riding of Yorkshire , syn Petera Appletona, skladníka, a Mary Wilcock, a měl vzdělání na Hansonově gymnáziu .

V roce 1911 mu bylo ve věku 18 let uděleno stipendium na St John's College v Cambridgi , kde v roce 1913 promoval s vyznamenáním First Class Honors in Natural Science with Physics. Byl také členem Isaac Newton University Lodge .

Během první světové války vstoupil do Západního jezdeckého pluku a později přešel k Royal Engineers . Po návratu z aktivní služby v první světové válce se Appleton stal asistentem demonstrátora experimentální fyziky v Cavendishově laboratoři v roce 1920. V roce 1922 byl zasvěcen do zednářství . Byl profesorem fyziky na King's College London (1924–36) a profesorem přírodní filozofie na univerzitě v Cambridge (1936–39). V letech 1939 až 1949 byl tajemníkem katedry vědeckého a průmyslového výzkumu . V roce 1941 byl povýšen do šlechtického stavu a získal Nobelovu cenu za fyziku v roce 1947 za zásluhy o znalosti ionosféry , které vedly k vývoji radaru .

Od roku 1949 až do své smrti v roce 1965 byl Appleton ředitelem a vicekancléřem University of Edinburgh . V roce 1956 ho BBC pozvala na každoroční přednášky Reith . V sérii šesti rozhlasových vysílání s názvem Věda a národ prozkoumal mnoho aspektů vědecké činnosti v té době v Británii.

Sir Edward je pohřben na Edinburghském hřbitově Morningside se svou manželkou Helen Lennie († 1983). Hrob leží směrem k extrémní západní straně poblíž nového bydlení na severozápadě.

Funguje

Appleton zjistil, že síla rádiového signálu z vysílače na frekvenci, jako je pásmo středních vln, a na dráze dlouhé zhruba sto mil, byla během dne konstantní, ale v noci se měnila. To ho přivedlo k přesvědčení, že je možné, že byly přijímány dva rádiové signály. Jeden cestoval po zemi a další se odrážel vrstvou v horních vrstvách atmosféry. Slábnutí nebo kolísání síly celkového přijímaného rádiového signálu bylo důsledkem interferenčního vzorce těchto dvou signálů.

Existence odrážející atmosférické vrstvy nebyla sama o sobě zcela novou myšlenkou. Balfour Stewart navrhl myšlenku na konci 19. století vysvětlit rytmické změny v magnetickém poli Země. Nedávno, v roce 1902, Oliver Heaviside a Arthur E. Kennelly navrhli, aby taková elektromagneticky odrážející vrstva, nyní nazývaná vrstva Kennelly-Heaviside , mohla vysvětlit úspěch, který měl Marconi při přenosu svých signálů přes Atlantik. Výpočty ukázaly, že přirozené ohýbání rádiových vln nestačilo na to, aby jim zabránily jednoduše „vystřelit“ do prázdného prostoru, než dosáhly přijímače.

Appleton si myslel, že nejlepším místem pro hledání důkazů o ionosféře jsou variace, které podle něj způsobovaly kolem západu slunce v recepcích rádiových signálů. Bylo rozumné navrhnout, že tyto variace byly způsobeny interferencí dvou vln, ale další krok, který ukázal, že druhá vlna způsobující interferenci (první byla pozemní vlna) sestupovala z ionosféry. Experiment, který navrhl, měl dvě metody k zobrazení ionosférického vlivu a oba umožnily určit výšku spodní hranice odrazu (tedy spodní hranici odrážející vrstvy). První způsob se nazýval frekvenční modulace a druhým byl výpočet úhlu příchodu odraženého signálu na přijímací anténu.

Metoda frekvenční modulace využívá skutečnosti, že mezi pozemní vlnou a odraženou vlnou je rozdíl v dráze, což znamená, že cestují různými vzdálenostmi od vysílače k ​​přijímači.

Nechť vzdálenost AC uražená pozemní vlnou je h a vzdálenost ABC uražená odraženou vlnou h '. Rozdíl cesty je:

${\ Displaystyle h'-h = D}$

Vlnová délka přenášeného signálu je λ. Rozdíl vlnových délek mezi cestami h a h 'je:

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

Pokud N je celé číslo, pak dojde ke konstruktivní interferenci, což znamená, že na přijímacím konci bude dosaženo maximálního signálu. Pokud N je liché celé číslo polovičních vlnových délek, pak dojde k destruktivní interferenci a bude přijat minimální signál. Předpokládejme, že přijímáme maximální signál pro danou vlnovou délku λ. Pokud začneme měnit λ, toto je proces nazývaný frekvenční modulace, N již nebude celé číslo a začne docházet k destruktivní interferenci, což znamená, že signál začne slábnout. Nyní stále měníme λ, dokud není opět přijat maximální signál. Znamená to, že pro naši novou hodnotu λ 'je naše nová hodnota N' také celé číslo. Pokud jsme prodloužili λ, pak víme, že N 'je o jedno menší než N. Tedy:

${\ Displaystyle N-N '= {\ frac {D} {\ lambda}}-{\ frac {D} {\ lambda'}} = 1}$

Přeuspořádání pro D dává:

${\ Displaystyle D = h-h '= {\ frac {1} {{\ frac {1} {\ lambda}}-{\ frac {1} {\ lambda'}}}}}}$

Jak víme λ a λ ', můžeme vypočítat D. Pomocí aproximace, že ABC je rovnoramenný trojúhelník, můžeme použít naši hodnotu D k výpočtu výšky odrážející vrstvy. Tato metoda je mírně zjednodušenou verzí metody, kterou použil Appleton a jeho kolegové k vypracování první hodnoty výšky ionosféry v roce 1924. Ve svém experimentu použili vysílací stanici BBC v Bournemouthu ke změně vlnových délek jejích emisí. po skončení večerních programů. V Oxfordu nainstalovali přijímací stanici pro sledování rušivých účinků. Přijímací stanice musela být v Oxfordu, protože v té době nebyl žádný vhodný vysílač ve správné vzdálenosti asi 100 km od Cambridge .

Tato metoda frekvenční modulace odhalila, že bod, od kterého se vlny odrážely, byl přibližně 90 kilometrů. Neprokázalo se však, že by se vlny odrážely shora, skutečně mohly přicházet z kopců někde mezi Oxfordem a Bournemouthem. Druhá metoda, která zahrnovala zjištění úhlu dopadu odražených vln na přijímač, s jistotou ukázala, že přicházejí shora. Triangulace z tohoto úhlu poskytly výsledky pro výšku odrazu kompatibilní s metodou frekvenční modulace. Nebudeme se touto metodou podrobně zabývat, protože zahrnuje poměrně složité výpočty pomocí Maxwellovy elektromagnetické teorie.

Úspěch experimentu Oxford-Bournemouth zdaleka nebyl průkazný, odhalil obrovskou novou oblast studia, kterou je třeba prozkoumat. Ukázalo to, že vysoko nad Zemí skutečně existuje reflexní vrstva, ale také to přineslo mnoho nových otázek. Jaké bylo složení této vrstvy, jak odrážela vlny, byla stejná po celé Zemi, proč se její účinky tak dramaticky měnily mezi dnem a nocí, měnily se po celý rok? Appleton stráví zbytek svého života zodpovězením těchto otázek. Na modelování fungování této části atmosféry vyvinul magnetoiontovou teorii založenou na předchozí práci Lorentze a Maxwella . Pomocí této teorie a dalších experimentů ukázal, že takzvaná Kennelly-Heavisideova vrstva byla silně ionizována a tím i vodivá. To vedlo k termínu ionosféra. Ukázal, že ionizujícími činidly jsou volné elektrony. Zjistil, že vrstvou lze proniknout vlnami nad určitou frekvencí a že tuto kritickou frekvenci lze použít k výpočtu hustoty elektronů ve vrstvě. Tyto pronikavé vlny by se však také odrážely zpět, ale z mnohem vyšší vrstvy. To ukázalo, že ionosféra má mnohem složitější strukturu, než se původně předpokládalo. Spodní úroveň byla označena E - vrstva, odrážela delší vlnové délky a bylo zjištěno, že je přibližně na 78 mílích (125 km). Vysoká úroveň, která měla mnohem vyšší elektronovou hustotu, byla označena jako F - vrstva a mohla odrážet mnohem kratší vlnové délky, které pronikaly do spodní vrstvy. Nachází se 186 - 248 mil (300 - 400 km) nad zemským povrchem. Právě to je často označováno jako Appletonova vrstva, která je zodpovědná za umožnění většiny krátkovlnných telekomunikací s dlouhým dosahem.

Magnetoiontová teorie také dovolila Appletonovi vysvětlit původ tajemných vyblednutí slyšených v rádiu kolem západu slunce. Během dne způsobí sluneční světlo ionizaci molekul ve vzduchu i v poměrně malých výškách. V těchto malých výškách je hustota vzduchu velká, a proto je elektronová hustota ionizovaného vzduchu velmi velká. Díky této těžké ionizaci dochází k silné absorpci elektromagnetických vln způsobené „elektronovým třením“. V přenosech na jakoukoli vzdálenost tedy nedojde k žádným odrazům, protože jakékoli vlny kromě vlny na úrovni země budou spíše absorbovány než odraženy. Když však slunce zapadne, molekuly se pomalu začnou rekombinovat se svými elektrony a hladiny hustoty volných elektronů klesají. To znamená, že se absorpční rychlosti snižují a vlny se mohou odrážet s dostatečnou silou, aby si jich všimli, což vede k interferenčním jevům, které jsme zmínili. Aby však k těmto interferenčním vzorům docházelo, nesmí existovat pouze přítomnost odražené vlny, ale změna v odražené vlně. Jinak je rušení konstantní a blednutí nebude slyšet. Přijatý signál by byl jednoduše hlasitější nebo měkčí než ve dne. To naznačuje, že výška, ve které dochází k odrazu, se musí při západu slunce pomalu měnit. Appleton ve skutečnosti zjistil, že se zvyšovalo, jak slunce zapadalo, a pak klesal, když slunce vycházelo, dokud nebyla odražená vlna příliš slabá na to, aby ji bylo možné zaznamenat. Tato variace je kompatibilní s teorií, že ionizace je způsobena vlivem slunce. Při západu slunce bude intenzita slunečního záření na povrchu Země mnohem menší, než je vysoko v atmosféře. To znamená, že iontová rekombinace bude postupovat pomalu z nižších nadmořských výšek do vyšších a proto se při západu slunce výška, ve které se vlny odrážejí, pomalu zvyšuje.

Základní myšlenka Appletonovy práce je tak jednoduchá, že je zpočátku těžké pochopit, jak jejímu studiu věnoval téměř celou svou vědeckou kariéru. V posledních několika odstavcích však byly představeny některé složitosti tohoto tématu. Stejně jako mnoho jiných oborů je to jeden, který roste ve složitosti, čím více je studován. Do konce jeho života byly po celém světě zřízeny ionosférické observatoře, které poskytovaly globální mapu odrážejících se vrstev. Byly nalezeny odkazy na 11letý cyklus slunečních skvrn a Aurora Borealis , magnetické bouře, které se vyskytují ve vysokých zeměpisných šířkách. To se stalo obzvláště důležité během druhé světové války, kdy bouře vedly k výpadkům rádia. Díky Appletonovu výzkumu bylo možné předpovědět období, kdy k nim dojde, a komunikaci lze přepnout na vlnové délky, které budou nejméně ovlivněny. Radar , další zásadní válečná inovace, vznikl díky Appletonově práci. Na velmi obecné úrovni jeho výzkum spočíval v určování vzdálenosti odražených předmětů od vysílačů rádiového signálu. Přesně to je myšlenka radaru a blikajících bodů, které se objevují na obrazovce (katodová trubice), snímané obíhající lištou „hledače“. Tento systém byl částečně vyvinut Appletonem jako nová metoda, nazývaná pulzní metoda, pro provádění ionosférických měření. Později byl upraven Robertem Watsonem-Wattem pro detekci letadel. V dnešní době jsou při komunikaci se satelity důležitá ionosférická data. Správné frekvence pro tyto signály musí být zvoleny tak, aby skutečně dosáhly na satelity, aniž by se předtím odrazily nebo odchýlily.

V roce 1974 byla Radio and Space Research Station přejmenována na Appleton Laboratory na počest muže, který udělal tolik pro to, aby se Spojené království stalo vedoucí silou v ionosférickém výzkumu, a byl se stanicí zapojen nejprve jako výzkumník a poté jako sekretář svého mateřského orgánu, oddělení vědeckého a průmyslového výzkumu.

Vyznamenání a ocenění

Appleton získal následující:

• Fellow of the Royal Society (1927)
• Zahraniční čestný člen Americké akademie umění a věd (1936)
• Nobelova cena za fyziku (1947)
• Faradayova medaile
• Hughesova medaile
• Královská medaile
• Chree medaile

Na jeho počest jsou navíc pojmenováni:

• Rutherford Appleton Laboratory
• Appletonova medaile a cena
• Appleton Suite ve společnosti Bradford Register Offices
• Věž Appleton na univerzitě v Edinburghu
• Appleton Science Building na Bradford College
• Appleton Academy , škola v oblasti Wyke hlavního města Bradfordu
• Na jeho počest je pojmenován kráter Appleton na Měsíci .
• Appletonova vrstva, což je vyšší atmosférická ionizovaná vrstva nad E-vrstvou
• Výroční přednáška Appletona na Institutu inženýrství a technologie

Umělecké uznání

Appletonův portrét od Williama Hutchisona visí na Old College, University of Edinburgh .

Viz také

• Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics , založený Appletonem

Reference

• Appleton, EV; Ratcliffe, JA (1929). Fyzikální principy bezdrátového připojení . Methuen.
• Přednášky IET Appleton
• Edward Victor Appleton na Nobelprize.org s Nobelovou přednáškou, 12. prosince 1947 Ionosféra (Citace: Nobelova cena za fyziku: 1947, „za jeho zkoumání fyziky horních vrstev atmosféry, zejména za objev takzvané Appletonovy vrstvy . "
• „Sir Edward Victor Appleton (1892–1965): Appleton byl anglický fyzik a nositel Nobelovy ceny, který objevil ionosféru.“ Historické osobnosti , bbc.co.uk . Přístup k 21. říjnu 2007. (Fotografie Appletona c. 1935 ©). [Poskytuje odkaz na výše uvedený účet Nobel Foundation.]
• Věda a národ BBC Reith Přednášky , 1956, Edward Appleton
• Davisi, Chrisi. „Poklad v suterénu“ . Věda ze zákulisí . Brady Haran .

externí odkazy

• Média související s Edwardem Appletonem na Wikimedia Commons
• Výstřižky z novin o Edwardu Victoru Appletonovi v archivu tisku 20. století ZBW