Edward Victor Appleton - Edward Victor Appleton

Edward Victor Appleton
narozený	(1892-09-06)6. září 1892 Bradford, West Riding of Yorkshire, Anglie
Zemřel	21.dubna 1965(1965-04-21) (ve věku 72) Edinburgh, Skotsko
Národnost	Angličtina
Alma mater	St John's College, Cambridge
Známý jako	Ionosférická fyzika[1][2] Appletonova vrstva Demonstrace existence Vrstva Kennelly – Heaviside
Ocenění	Nobelova cena za fyziku (1947) Člen Královské společnosti (1927)[3] Hughesova medaile (1933) Faradayova medaile (1946) Chree medaile (1947) Královská medaile (1950) Albert medaile (1950) Medaile cti IEEE (1962)
Vědecká kariéra
Pole	Fyzika
Instituce	Bradford College King's College London Univerzita v Cambridge University of Edinburgh Cavendishova laboratoř
Akademičtí poradci	J. J. Thomson Ernest Rutherford
Pozoruhodné studenty	J. A. Ratcliffe Charles Oatley

Hrob sira Edwarda Victor Appletona, hřbitov Morningside, Edinburgh

Sir Edward Victor Appleton GBE KCB FRS^[3] (6. září 1892-21. Dubna 1965) byl Angličan fyzik,^[4][5] Nositel Nobelovy ceny (1947) a průkopník v oboru radiofyzika. Studoval a byl také zaměstnán jako laboratorní technik v Bradford College od roku 1909 do roku 1911.

Vyhrál Nobelova cena za fyziku v roce 1947 za jeho klíčovou práci prokazující existenci ionosféra během experimentů provedených v roce 1924.

Životopis

Appleton se narodil v Bradford, West Riding of Yorkshire, syn Petera Appletona, skladníka, a Mary Wilcock,^[6] a byl vzděláván u Hansonovo gymnázium.

V roce 1911, ve věku 18, mu bylo uděleno stipendium St John's College, Cambridge, kde v roce 1913 promoval s vyznamenáním v oboru přírodních věd s fyzikou.

Během První světová válka připojil se k West Riding Regiment, a později převedeny do Royal Engineers. Po návratu z aktivní služby v První světová válka, Appleton se stal asistentem demonstrátoru experimentální fyziky na Univerzitě Karlovy v Praze Cavendishova laboratoř v roce 1920. V roce 1922 byl zasvěcen do Zednářství.^[7] Byl profesorem fyziky na King's College London (1924–36) a profesor přírodní filozofie na VŠE Univerzita v Cambridge (1936–1939). V letech 1939 až 1949 byl tajemníkem Oddělení vědeckého a průmyslového výzkumu. Rytířem v roce 1941 získal 1947 Nobelova cena za fyziku za jeho příspěvky ke znalostem ionosféra,^[2] což vedlo k rozvoji radar.

Od roku 1949 až do své smrti v roce 1965 byl Appleton ředitelem a vicekancléřem University of Edinburgh.^[8] V roce 1956 ho BBC vyzvala k předložení ročenky Reith přednášky. Napříč sérií šesti rozhlasových vysílání s názvem Věda a národ, prozkoumal mnoho aspektů vědecké činnosti v Británii v té době.

Sir Edward je pohřben v Edinburghu Hřbitov Morningside^[9] s manželkou Helen Lennie († 1983). Hrob leží směrem k extrémní západní straně poblíž nového bydlení na severozápad.

Funguje

Appleton si všiml, že síla rádiového signálu z vysílače na frekvenci, jako je pásmo středních vln, a přes dráhu asi sto mil byla během dne konstantní, ale že se během noci měnila. To ho vedlo k přesvědčení, že je možné, že jsou přijímány dva rádiové signály. Jeden cestoval po zemi a druhý se odrážel vrstvou ve vyšších vrstvách atmosféry. Slábnutí nebo změna síly celkového přijatého rádiového signálu vyplynula z rušení vzor dvou signálů.

Existence odrážející atmosférické vrstvy nebyla sama o sobě zcela novým nápadem. Koncem 19. století navrhl Balfour Stewart myšlenku vysvětlit rytmické změny v magnetickém poli Země. Více nedávno, v roce 1902, Oliver Heaviside a Arthur E. Kennelly navrhl takovou vrstvu odrážející elektromagnetické pole, nyní nazývanou Vrstva Kennelly-Heaviside, může vysvětlit úspěch, který měl Marconi při přenosu svých signálů přes Atlantik. Výpočty ukázaly, že přirozené ohýbání rádiových vln nestačí k tomu, aby jim zabránilo jednoduše „vystřelit“ do prázdného prostoru, než dosáhly přijímače.

Appleton si myslel, že nejlepším místem pro hledání důkazů o ionosféře jsou variace, o nichž se domníval, že to způsobují kolem západu slunce při příjmu rádiového signálu. Bylo rozumné navrhnout, aby tyto variace byly způsobeny interferencí dvou vln, ale dalším krokem, který ukázal, že druhá vlna způsobující interferenci (první je pozemní vlna) sestupovala z ionosféry. Experiment, který navrhl, měl dvě metody k prokázání ionosférického vlivu a obě umožňovaly určit výšku spodní hranice odrazu (tedy spodní hranice odrazové vrstvy). První metoda se nazývala frekvenční modulace a druhá spočívala v výpočtu úhlu dopadu odraženého signálu na přijímací anténu.

Metoda frekvenční modulace využívá skutečnosti, že mezi pozemní vlnou a odraženou vlnou existuje rozdíl v cestě, což znamená, že cestují různými vzdálenostmi od odesílatele k přijímači.

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

${ displaystyle h'-h = D}$

Vlnová délka přenášeného signálu je λ. Počet rozdílů vlnových délek mezi cestami h a h ’je:

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

Pokud N je celé číslo, dojde ke konstruktivní interferenci, což znamená, že na přijímacím konci bude dosaženo maximálního signálu. Pokud N je liché celé číslo poloviny vlnových délek, dojde k destruktivní interferenci a bude přijat minimální signál. Předpokládejme, že přijímáme maximální signál pro danou vlnovou délku λ. Pokud začneme měnit λ, jedná se o proces zvaný frekvenční modulace, N již nebude celé číslo a začne docházet k destruktivní interferenci, což znamená, že signál začne mizet. Nyní stále měníme λ, dokud znovu nepřijmeme 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 jeden menší než N. Tedy:

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

Přeskupení 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 pomocí naší hodnoty D vypočítat výšku 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 BBC vysílací stanice v Bournemouth měnit vlnové délky svých emisí po skončení večerních programů. Instalovali přijímací stanici Oxford sledovat rušivé účinky. Přijímací stanice musela být v Oxfordu, protože ve správné vzdálenosti asi 100 km od něj nebyl vhodný vysílač Cambridge tehdy.

Tato metoda frekvenční modulace odhalila, že bod, od kterého se vlny odrážejí, byl přibližně 90 km. Nezjistilo se však, že vlny se odrážely shora, skutečně mohly pocházet z kopců někde mezi Oxfordem a Bournemouthem. Druhá metoda, která zahrnovala zjištění úhlu dopadu odražených vln na přijímači, 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 není přesvědčivý, odhalil obrovskou novou oblast studia, kterou je třeba prozkoumat. Ukázalo se, že skutečně existuje reflexní vrstva vysoko nad zemí, ale také to představovalo mnoho nových otázek. Jaká byla struktura 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 strávil zbytek svého života odpovědí na tyto otázky. Vyvinul magneto-iontovou teorii založenou na předchozí práci Lorentz a Maxwell modelovat fungování této části atmosféry. Pomocí této teorie a dalších experimentů ukázal, že tzv Vrstva Kennelly-Heaviside byl silně ionizovaný a tak vodivý. To vedlo k termínu ionosféra. Ukázal, že volnými elektrony jsou ionizující látky. Zjistil, že vrstvu lze proniknout vlnami nad určitou frekvenci a že tuto kritickou frekvenci lze použít k výpočtu hustoty elektronů ve vrstvě. Tyto pronikající vlny by se však také odrážely zpět, ale od mnohem vyšší vrstvy. To ukázalo, že ionosféra má mnohem složitější strukturu, než se původně očekávalo. Dolní úroveň byla označena E - vrstva, odrážela delší vlnové délky a bylo zjištěno, že je přibližně 125 kilometrů. Vysoká úroveň, která měla mnohem vyšší elektronovou hustotu, byla označena jako F - vrstva a mohla odrážet mnohem kratší vlnové délky, které pronikly do spodní vrstvy. Nachází se 186 - 248 mil (300 - 400 km) nad zemským povrchem. To je to, co se často označuje jako vrstva Appleton, protože je zodpovědné za umožnění většiny krátkovlnných telekomunikací.^[10]

Magneto-iontová teorie také umožnila Appletonovi vysvětlit původ záhadných blednutí, která byla slyšet v rádiu kolem západu slunce. Během dne světlo ze slunce způsobuje ionizaci molekul ve vzduchu i v poměrně nízkých nadmořských výškách. V těchto nízkých nadmořských výškách je hustota vzduchu velká, a proto je elektronová hustota ionizovaného vzduchu velmi velká. Díky této těžké ionizaci dochází k silné absorpci elektromagnetických vln způsobených „elektronovým třením“. Takže v přenosech na jakoukoli vzdálenost nedojde k žádným odrazům, protože jakékoli vlny kromě těch na úrovni země budou absorbovány, spíše než odraženy. Když však slunce zapadá, molekuly se pomalu začínají rekombinovat se svými elektrony a hladiny hustoty volných elektronů klesají. To znamená, že rychlosti absorpce se snižují a vlny lze odrážet s dostatečnou silou, aby si toho všimli, což vede k interferenčním jevům, které jsme zmínili. Aby však tyto interferenční vzory mohly nastat, nesmí existovat pouze přítomnost odražené vlny, ale změna odražené vlny. Jinak je rušení konstantní a blednutí by nebylo slyšet. Přijatý signál by byl jednoduše hlasitější nebo měkčí než během dne. To naznačuje, že výška, ve které dochází k odrazu, se musí pomalu měnit, jak slunce zapadá. Appleton ve skutečnosti zjistil, že se zvyšovalo s postupujícím západem slunce a poté se snižovalo, jak slunce stoupalo, dokud nebyla odražená vlna příliš slabá na to, aby se dala 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 v atmosféře. To znamená, že iontová rekombinace bude postupovat pomalu z nižších nadmořských výšek do vyšších, a proto se výška, ve které se vlny odrážejí, pomalu zvyšuje, jak zapadá slunce.

Základní myšlenka práce Appletona je tak jednoduchá, že je zpočátku těžké pochopit, jak věnoval téměř celou svou vědeckou kariéru jejímu studiu. V posledních několika odstavcích však byly představeny některé složitosti předmětu. Stejně jako mnoho jiných oborů roste i ve složitosti, čím více je studováno. Na konci svého života byly po celém světě zřízeny ionosférické observatoře, které poskytly globální mapu odrážejících vrstev. Byly nalezeny vazby na 11letý cyklus slunečních skvrn a Polární záře, magnetické bouře, ke kterým dochází ve vysokých zeměpisných šířkách. To se stalo obzvláště důležité během Druhá světová válka kdy by bouře vedly k výpadkům rádia. Díky Appletonovu výzkumu bylo možné předvídat období, kdy k nim dojde, a komunikaci lze přepnout na vlnové délky, které by byly nejméně ovlivněny. Radar, další zásadní válečná inovace, byla ta, která vznikla díky práci Appletonu. Na velmi obecné úrovni jeho výzkum spočíval ve stanovení vzdálenosti odrážejících objektů od vysílačů rádiového signálu. To je přesně myšlenka radaru a blikajících teček, které se objevují na obrazovce (katodová trubice), skenovaných cirkulující „vyhledávací“ lištou. Tento systém byl vyvinut společností Appleton částečně jako nová metoda, nazývaná pulzní, pro měření ionosféry. To bylo později upraveno Robert Watson-Watt detekovat letadla. V dnešní době jsou ionosférická data důležitá, když se uvažuje o komunikaci se satelity. Správné frekvence těchto signálů musí být zvoleny tak, aby ve skutečnosti dosáhly satelitů, aniž by se dříve odrážely nebo odchylovaly.

V roce 1974 Stanice rádiového a vesmírného výzkumu byl přejmenován na Appletonova laboratoř na počest muže, který udělal tolik pro to, aby se Spojené království stalo vůdčí silou v ionosférickém výzkumu, a pracoval se stanicí nejprve jako výzkumný pracovník a poté jako tajemník jejího mateřského orgánu, odboru vědeckého a průmyslového výzkumu.

Vyznamenání a ocenění

Appleton získal následující:

• Člen týmu královská společnost (1927)^[3]
• Zahraniční čestný člen Americká akademie umění a věd (1936)^[11]
• Nobelova cena za fyziku (1947)
• Faradayova medaile
• Hughesova medaile
• Královská medaile
• Chree medaile

Kromě toho jsou na jeho počest pojmenovány:

• Laboratoř Rutherford Appleton
• Medaile a cena Appleton
• Appleton Suite v Bradford Register Offices
• Appletonská věž na University of Edinburgh
• Appleton Science Building na Bradford College
• Appleton Academy, škola v Wyke oblast města Bradford
• Appleton kráter na Měsíc je pojmenován na jeho počest.
• Appleton Layer, což je vyšší atmosférická ionizovaná vrstva nad E-vrstvou
• Roční Přednáška Appleton na Instituce inženýrství a technologie

Umělecké uznání

Appletonův portrét, autor William Hutchison visí Old College, University of Edinburgh.

Viz také

• Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics, založená 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 výzkum fyziky horních vrstev atmosféry, zejména za objev tzv. Appletonovy vrstvy.“)
• „Sir Edward Victor Appleton (1892–1965): Appleton byl anglický fyzik a nositel Nobelovy ceny, který objevil ionosféru. “ Historické postavy, bbc.co.uk. Zpřístupněno 21. října 2007. (Fotografie Appletona c. 1935 ©). [Poskytuje odkaz na účet Nobel Foundation uvedený výše.]
• Věda a národ BBC Reith přednášky, 1956, Edward Appleton
• Davis, Chris. „Poklad v suterénu“. Základy zákulisí. Brady Haran.

externí odkazy

• Výstřižky z novin o Edwardu Victorovi Appletonovi v Archivy tisku 20. století z ZBW