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海因里希·鲁道夫·赫兹

海因里希·鲁道夫·赫兹(Heinrich Rudolf Hertz)“我不认为我发现了的那些没有线的波可以有任何实际的应用。”

海因里希·鲁道夫·赫兹(Heinrich Rudolf Hertz,1857年2月22日~1894年1月1日),德国物理学家,于1888年首先证实了电磁波的存在。并对电磁学有很大的贡献,故频率的国际单位制单位赫兹以他的名字命名。

 

生平简介

 

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律师和参议员,母亲是一位医生的女儿。他有三个弟弟和一个妹妹。

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。

海因里希·鲁道夫·赫兹

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。

赫兹手迹

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。

海因里希·鲁道夫·赫兹

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。(例如常见的B超)。

 

气象学

 

1878年夏天,由于赫兹在慕尼黑工业大学所跟随的指导教授Wilhelm von Bezold是气象学家,他开始对气象学抱持着浓厚兴趣。但是,除了在柏林当Helmholtz的助手时写的几篇论文之外,他对气象学没有什么贡献。论文题目有:对于液体蒸发的研究、新型湿度计的开发、使用图形方式判定隔热的湿润大气变化之特性等等。

海因里希·鲁道夫·赫兹

 

接触力学

 

1886年至1889年间,赫兹发表了两篇往后被称作接触力学领域的论文。赫兹虽以电动力学的贡献闻名,但多数研究接触之根本性质的论文皆引用此两篇文章里的重要概念。Joseph Valentin Boussinesq发表了于赫兹作品中的决定性重大发现,更确立了他的成果在接触力学屹立不摇的重要性。赫兹基本上概述了当两个线对称的物体接触并负重时会如何表现,并从经典弹性理论和连续力学得到了结论。他的理论中有个重大的疏漏便是忽略了两个固体之间的附着力,而后来的科学家证明了当固体具有高弹性时,这个因素是很重要的。不过忽视是必然的,因为当时根本没有检验附着力的技术。

Memorial of Heinrich Hertz on the campus of the Karlsruhe Institute of Technology

为了发展他的理论,赫兹以对椭圆形牛顿环的观察为基础,进行了将玻璃球体放在镜片上面的接触实验,并假设球体的压力会是椭圆形分布。当他以计算自球体移动至镜片之压力的实验来验证理论时,再次使用了牛顿环的型态。K. L. Johnson、K. Kendall与A. D. Roberts (JKR)在他们的著名论文“表面能和弹性物体之接触”(The Proceedings of the Royal Society, 1971)使用了此理论为基础,来计算附着表面上理论上的位移压力或压痕深度(A324, 1558, 301-313)。他们的方程假设物质附着力为零,补充了赫兹的理论。尔后, B. V. Derjaguin、 V. M. Muller与Y. P. Toporov(DMT)也在1975年发表了另一个相近的理论,同样以附着力为零的假设替赫兹的方程做了补充。然而DMT的理论被认为不成熟,和JKR的理论相比,需要更多校正方能成为一个物质接触理论。前述两者构筑了接触力学的基础,成为所有过渡期接触模型的基石,并且被运用在纳米压痕和原子力显微镜的物质参数预测上。在当年,赫兹的研究作为讲师的意义,远大于他在电磁学的成就。但他以自身独有的清醒认为微不足道的这一章,却流传下来并深刻地影响着纳米科技世代。

TransverseEMwave

 

卒年36岁

 

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(原姓: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那几年,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。

1887 experimental setup of Hertz's apparatus

 

遗产和荣耀

 

他的外甥 古斯塔夫.路德维希.赫兹 曾得到诺贝尔经济奖,而古斯塔夫的儿子 卡尔.黑尔幕斯.赫兹 则发现了超音波。 国际单位制使用海因里西的名字制定‘单位赫兹’是因为他的荣誉,这项荣誉是他于1930年在国际电工学会做的测量‘频率’,某活动每秒发生的次数。这项荣誉于1964年通过CGPM(国际度量衡)的认定。 在月亮东边的坑洞,也是因为赫兹的荣誉而用他的名字来命名的。俄罗斯的诺夫哥罗德的无线电产品,也是用赫兹的名字命名。‘海因里西–赫兹’无线电电信通讯,也是以这城市最著名的孩子来命名。 除了这些荣誉之外,赫兹还得到了一项殊荣,他很荣幸的得到日本授与的‘瑞宝章’(日本于1888年开始制定的勋章,在公共事务有功劳者,长年从事公务者,功绩受到推举者为授与对象),瑞宝章也有分很多的赠与项目,其中一项就是科学家。 除了赫兹本身所做的贡献而得到的荣耀之外,他还非常荣幸的得到另一外荣誉,那就是“世界各国都以他的肖像当邮票”,第二次世纪大战后,他的祖国,德国,也做出了他的肖像邮票。

海因里希·鲁道夫·赫兹

 

辉煌人生

 

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。

海因里希·鲁道夫·赫兹

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。

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人物贡献

 

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,他却于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。

海因里希·鲁道夫·赫兹

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。

海因里希·鲁道夫·赫兹

 

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 。

 

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