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电磁波之父诞辰163周年

发布时间:2020-09-27 作者: 来源: 浏览:846

  2020年2月22日是电磁波之父海因里希·鲁道夫·赫兹(Heinrich Rudolf Hertz)诞辰163周年的纪念日。

人物简介
  赫兹出生在德国汉堡一个改信基督教的犹太家庭。父亲是汉堡城的一名顾问,母亲是一位医生的女儿。在他去柏林大学就读之前就已经展现出良好的科学和语言天赋,喜欢学习阿拉伯语和梵文。他曾经在德国德累斯顿、慕尼黑和柏林等地学习科学和工程学。他是古斯塔夫·基尔霍夫和赫尔曼·范·亥姆霍兹的学生。1880年赫兹获得博士学位,但继续跟随亥姆霍兹学习,直到1883年他收到来自基尔大学出任理论物理学讲师的邀请。1885年他获得卡尔斯鲁厄大学正教授资格,并在那里发现电磁波。赫兹在柏林大学随赫尔姆霍兹学物理时,受赫尔姆霍兹之鼓励研究麦克斯韦电磁理论,当时德国物理界深信韦伯的电力与磁力可瞬时传送的理论。因此赫兹就决定以实验来证实韦伯与麦克斯韦理论谁的正确。依照麦克斯韦理论,电扰动能辐射电磁波。赫兹根据电容器经由电火花隙会产生振荡原理,设计了一套电磁波发生器,赫兹将一感应线圈的两端接于产生器二铜棒上。当感应线圈的电流突然中断时,其感应高电压使电火花隙之间产生火花。瞬间后,电荷便经由电火花隙在锌板间振荡,频率高达数百万周。由麦克斯韦理论,此火花应产生电磁波,于是赫兹设计了一简单的检波器来探测此电磁波。他将一小段导线弯成圆形,线的两端点间留有小电火花隙。因电磁波应在此小线圈上产生感应电压,而使电火花隙产生火花。所以他坐在一暗室内,检波器距振荡器10米远,结果他发现检波器的电火花隙间确有小火花产生。赫兹在暗室远端的墙壁上覆有可反射电波的锌板,入射波与反射波重叠应产生驻波,他也以检波器在距振荡器不同距离处侦测加以证实。赫兹先求出振荡器的频率,又以检波器量得驻波的波长,二者乘积即电磁波的传播速度。正如麦克斯韦预测的一样。电磁波传播的速度等于光速。1888年,赫兹的实验成功了,而麦克斯韦理论也因此获得了无上的光彩。赫兹在实验时曾指出,电磁波可以被反射、折射和如同可见光、热波一样的被偏振。由他的振荡器所发出的电磁波是平面偏振波,其电场平行于振荡器的导线,而磁场垂直于电场,且两者均垂直传播方向。1889年在一次著名的演说中,赫兹明确的指出,光是一种电磁现象。第一次以电磁波传递讯息是1896年意大利的马可尼开始的。1901年,马可尼又成功的将讯号送到大西洋彼岸的美国。20世纪无线电通讯更有了异常惊人的发展。赫兹实验不仅证实麦克斯韦的电磁理论,更为无线电、电视和雷达的发展找到了途径。随着迈克尔逊在1881年进行的实验和1887年的迈克尔逊-莫雷实验推翻了光以太的存在,赫兹改写了麦克斯韦方程组,将新的发现纳入其中。通过实验,他证明电信号象詹姆士·麦克斯韦和迈克尔·法拉第预言的那样可以穿越空气,这一理论是发明无线电的基础。他注意到带电物体当被紫外光照射时会很快失去它的电荷,发现了光电效应 (后来由阿尔伯特·爱因斯坦给予解释)。1894年37岁的赫兹因为败血症在波恩英年早逝。他的侄子古斯塔夫·路德维格·赫兹是诺贝尔奖获得者,古斯塔夫的儿子卡尔·海尔莫斯·赫兹创立了超声影像医学。
人物成就
  海因里希·鲁道夫·赫兹(Heinrich Rudolf Hertz)在1886年至1888年间首先通过试验验证了麦克斯韦尔的理论。他证明了无线电辐射具有波的所有特性,并发现电磁场方程可以用偏微分方程表达,通常称为波动方程。1887年11月5日,赫兹在寄给亥姆霍兹一篇题为《论在绝缘体中电过程引起的感应现象》的论文中,总结了这个重要发现。接着,赫兹还通过实验确认了电磁波是横波,具有与光类似的特性,如反射、折射、衍射等,并且实验了两列电磁波的干涉,同时证实了在直线传播时,电磁波的传播速度与光速相同,从而全面验证了麦克斯韦的电磁理论的正确性。并且进一步完善了麦克斯韦方程组,使它更加优美、对称,得出了麦克斯韦方程组的现代形式。此外,赫兹又做了一系列实验。他研究了紫外光对火花放电的影响,发现了光电效应,即在光的照射下物体会释放出电子的现象。这一发现,后来成了爱因斯坦建立光量子理论的基础。1888年1月,赫兹将这些成果总结在《论动电效应的传播速度》一文中。赫兹实验公布后,轰动了全世界的科学界。由法拉第开创,麦克斯韦总结的电磁理论,至此才取得决定性的胜利。1888年,成了近代科学史上的一座里程碑。赫兹的发现具有划时代的意义,它不仅证实了麦克斯韦发现的真理,更重要的是开创了无线电电子技术的新纪元。随着迈克尔逊在1881年进行的实验和1887年的迈克尔逊-莫雷实验推翻了光以太的存在,赫兹改写了麦克斯韦方程组,将新的发现纳入其中。通过实验,他证明电信号象詹姆士·麦克斯韦和迈克尔·法拉第预言的那样可以穿越空气,这一理论是发明无线电的基础。他注意到带电物体当被紫外光照射时会很快失去它的电荷,发现了光电效应,后来由阿尔伯特·爱因斯坦给予解释。
科学贡献
  赫兹对人类文明作出了很大贡献,正当人们对他寄以更大期望时,海因里希·鲁道夫·赫兹却于1894年元旦因血中毒逝世,年仅36岁。为了纪念他的功绩,人们用他的名字来命名各种波动频率的单位,简称“赫”。赫兹也是是国际单位制中频率的单位,它是每秒中的周期性变动重复次数的计量。赫兹的名字来自于德国物理学家海因里希·鲁道夫·赫兹。其符号是Hz。电(电压或电流),有直流和交流之分。在通信应用中,用作信号传输的一般郝是交流电。呈正弦变化的交流电信号,随着时间的变化,其幅度时正、时负,以一定的能量和速度向前传播。通常,我们把上述正弦波幅度在1秒钟内的重复变化次数称为信号的“频率”,用f表示;而把信号波形变化一次所需的时间称作“周期”,用T表示,以秒为单位。波行进一个周期所经过的距离称为“波长”,用λ表示,以米为单位。f、T和λ存在如下关系: f=1/T ,v=λ.f ,其中,v是电磁波的传播速度,等于3xlO^8米/秒。频率的单位是赫兹,简称赫,以符号Hz表示。赫兹(H·Hertz)是德国著名的物理学家,1887年,是他通过实验证实了电磁波的存在。后人为了纪念他,把“赫兹”定为频率的单位。常用的频率单位还有千赫(KHz)、兆赫(MHz)、吉赫(GHz)等。在载带信息的电信号中,有时会包含多种频率成分;将所有这些成分在频率轴上的位置标示出来,并表示出每种成分在功率或电压上的大小,这就是信号的“频谱”。它所占据的频率范围就叫做信号的频带范围。例如,在电话通信中,话音信号的频率范围是300~3400赫;在调频(FM)广播中,声音的频率范围是40赫~15千赫,电视广播信号的频率范围是0~4.2兆赫等。
光电效应
  光照射到某些物质上,引起物质的电性质发生变化。这类光致电变的现象被人们统称为光电效应。金属表面在光辐照作用下发射电子的效应,发射出来的电子叫做光电子。光波长小于某一临界值时方能发射电子,即极限波长,对应的光的频率叫做极限频率。临界值取决于金属材料,而发射电子的能量取决于光的波长而与光强度无关,这一点无法用光的波动性解释。还有一点与光的波动性相矛盾,即光电效应的瞬时性,按波动性理论,如果入射光较弱,照射的时间要长一些,金属中的电子才能积累住足够的能量,飞出金属表面。可事实是,只要光的频率高于金属的极限频率,光的亮度无论强弱,光子的产生都几乎是瞬时的,不超过十的负九次方秒。正确的解释是光必定是由与波长有关的严格规定的能量单位(即光子或光量子)所组成。这种解释为爱因斯坦所提出。光电效应由德国物理学家赫兹于1887年发现,对发展量子理论起了根本性作用,在光的照射下,使物体中的电子脱出的现象叫做光电效应(Photoelectric effect)。光电效应分为光电子发射、光电导效应和光生伏打效应。前一种现象发生在物体表面,又称外光电效应。后两种现象发生在物体内部,称为内光电效应。光电效应里,电子的射出方向不是完全定向的,只是大部分都垂直于金属表面射出,与光照方向无关,光是电磁波,但是光是高频震荡的正交电磁场,振幅很小,不会对电子射出方向产生影响。hυ=(1/2)mv^2+I+W 式中(1/2)mv^2是脱出物体的光电子的初动能。金属内部有大量的自由电子,这是金属的特征,因而对于金属来说,I项可以略去,爱因斯坦方程成为 hυ=(1/2)mv^2+W 假如hυ<W,电子就不能脱出金属的表面。对于一定的金属,产生光电效 应的最小光频率(极限频率) υ0。由 hυ0=W确定。相应的极限波长为 λ0=C/υ0=hc/W。发光强度增加使照射到物体上的光子的数量增加,因而发射的光电子数和照射光的强度成正比。③利用光电效应可制造光电倍增管。光电倍增管能将一次次闪光转换成一个个放大了的电脉冲,然后送到电子线路去,记录下来。算式在以爱因斯坦方式量化分析光电效应时使用以下算式:光子能量= 移出一个电子所需的能量 + 被发射的电子的动能 代数形式:hf=φ+Em φ=hf0 Em=(1/2)mv^2 其中 h是普朗克常数,h = 6.63 ×10^-34 J·s,f是入射光子的频率,φ是功函数,从原子键结中移出一个电子所需的最小能量,f0是光电效应发生的阀值频率,Em是被射出的电子的最大动能,m是被发射电子的静止质量,v是被发射电子的速度,如果光子的能量(hf)不大于功函数(φ),就不会有电子射出。功函数有时又以W标记。这个算式与观察不符时(即没有射出电子或电子动能小于预期),可能是因为系统没有完全的效率,某些能量变成热能或辐射而失去了。爱因斯坦因成功解释了光电效应而获得1921年诺贝尔物理学奖。
英年早逝
  在1892年,赫兹被诊断出感染了韦格纳肉芽肿(发病时会经历剧烈的头痛),而他试着去治疗这种疾病。 在1894年,赫兹终于在德国波恩离世,享年36岁,他死后被埋在Ohlsdorf汉堡的犹太墓地。 赫兹死后留下了他的妻子伊丽莎白‧赫兹(原名:伊丽莎白‧道欧)和两名女儿乔安娜和玛蒂尔德。 而他的妻子在他死后并没有改嫁。 1930那年代,希特勒崛起,他的妻子和三名女儿也从德国搬到英国。 1960年,查尔斯萨‧斯坎德拜访了玛蒂尔德‧赫兹,询问有关她父亲的事,并在不久之后出版了一本有关海因里希‧赫兹的书。根据查尔斯萨的书指出,赫兹的两名女儿都没有结婚,因此他没有任何后裔。

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