赫兹

一、生平简介

赫兹 赫兹 (Heinrich Rudolf Hertz,1857~1894),德国物理学家。1857年2月22日生于汉堡。父亲为律师,后任参议员;家庭富有。赫兹在少年时期就表现出对实验的兴趣,12岁时便有了木工工具和工作台,以后又有了车床,常常用以制作简单的实验仪器。1876年入德累斯顿工学院学习工程,由于对自然科学的爱好,转入慕尼黑大学学习数学和物理,第二年又转入柏林大学,在H.von.亥姆霍兹指导下学习并进行研究工作。1880年他以纯理论性工作的《旋转导体电磁感应》论文获得博士学位,成为亥姆霍兹的助手。1883年到基尔大学任教。1885~1889年任卡尔斯鲁厄大学物理学教授,1886年开始进行使他闻名世界的关于电磁波的实验工作。1889~1894年任波恩大学物理学教授接替R.克劳修斯的席位。1894年1月1日因血中毒在波恩逝世,当时年仅36岁。为了纪念他发现电磁波的卓越贡献,将频率的单位命名为赫兹,现行国际单位制(SI)仍沿用。

二、科学成就

1.赫兹的主要贡献是用实验证明了电磁波的存在,并测出电磁波传播的速度跟光速相同,还进一步观察到电磁波具有聚焦、直进性、反射、折射和偏振等性质。

赫兹实验 (1)赫兹证明电磁波存在的实验赫兹是亥姆霍兹的学生,在老师的影响和要求下,他深入研究了电磁理论。1879年,德国柏林科学院悬奖征解,向当时科学界征求对麦克斯韦电磁理论进行实验验证,促使年轻的赫兹萌发了进行电磁波实验的雄心壮志。赫兹的实验装置一部分如图所示。AA′是两块40厘米见方的铜板,焊上直径0.5厘米,长70厘米的铜棒,头上各接一小铜球,相对放置,球中间留有空隙约0.75厘米。铜球表面仔细磨光,两棒分别接到感应圈的两端,当通电时,两棒之间产生放电,形成振荡。

再取2毫米粗的铜棒做成圆环,半径为35厘米,如中的B。圆环的空隙f,宽度可用精密螺旋调节,从零点几毫米调到几毫米。当放在适当位置时,f间隙会跟随AA′产生火花放电,火花可长达6~7毫米。B环可围绕平行于AA′面的法线mn旋转,旋转到不同位置,f放电的火花长度不一样。当f处于a或a′时,完全没有火花;转动些许角度,开始会产生火花;转至b或b′时,火花最大。

(2)赫兹测出电磁波速度

赫兹最有说服力的实验是直接测出电磁波的传播速度。他用的装置如下:导体AA′(赫兹称之为原导体)在感应圈的激励下产生电磁波。AA′平面与地板垂直,在图中赫兹标了一条基线rs,下面是距离标记从离AA′中心点45厘米处计程。

实验在一间15×14米的大教室进行,在基线的12米内无任何家具。整个房间遮黑,以便观察放电火花。次回路就是那个半径为35厘米的圆环C或边长60厘米的方形导线框B。根据麦克斯韦理论,已经知道这个速度大概是每秒3万公里,要直接测这样的速度是十分困难的。赫兹想起了20年前他的老师昆特(Kundt)用驻波测声速的方法,巧妙地设计了一个方案。

他在教室的墙壁上贴了一张4米高,2米宽的锌箔,并将锌箔与墙上所有的煤气管道、水管等联接,使电磁波在墙壁遭遇反射。前进波和反射波叠加的结果就会组成驻波。根据波动理论,驻波的节距等于半波长,测出节点的位置就可以知道波长。赫兹沿基线rs移动探测线圈,果然在不同的位置上火花隙的长度不一样。有的地方最强,这是波腹;有的地方最弱,甚至没有火花,这是波节。根据电容器的振荡理论赫兹算得电磁振荡的周期。从光速就是电磁波的速度的假设和测得的波长也可算出周期,两者相差大约10%,赫兹证实了电磁波的速度就是光速。

(3)观察到电磁波有聚焦、直进、反射、折射和偏振现象

为了进一步考察电磁波的性质,赫兹又设计了一系列实验,其中有聚焦、直进性、反射、折射和偏振。

他用2米长的锌板弯成抛物柱面形,柱面的焦距大约为12.5厘米。他把发射振子和接收振子分别安在两块柱面的焦线上,调整感应圈使发射振子产生电火花。当两柱面正好面对时,接收振子也会发出火花;位置离开就不产生效果,由此证明电磁波和光波一样也有聚焦和直进性的性质。

赫兹还用1.5米高重500千克的大块沥青做成三棱镜,让电磁波通过,和光一样电磁波也发生折射。他测得最小偏向角为22°,三棱镜的顶角是30°,由此算出沥青对电磁波的折射率是1.69。他还用“金属栅”显示了电磁波的偏振性。

在1888年12月13日向柏林科学院作了题为《论电辐射》的报告,他以充分的实验证据全面证实了电磁波和光波的同一性。他写道:“我认为这些实验有力地铲除了对光、辐射热和电磁波动之间的同一性的任何怀疑”。

2.发现电子与原子的碰撞规律

赫兹科学研究中最出色的工作是他与弗兰克合作的著名实验,通过这一实验证明了当原子受到电子的冲击激发而发射谱线时,所需要的能量是分立的。这一先驱性的工作,给玻尔的原子量子化模型以决定性的支持。因这一重要发现,赫兹与弗兰克共获1925年度的诺贝尔物理学奖。

三、趣闻轶事

世界上第一份电报的内容

赫兹对人类文明作了很大的贡献,正当人类期望他再作贡献的时候,骨癌过早地夺去了他的生命。赫兹于1894年元旦去世,只活了37岁。他的导师亥姆霍兹赞扬赫兹“才气横溢,性格坚毅,用自己极短暂的一生解决了一个世纪以来许多科学家所没有解决的一系列重要的问题”。1896年3月24日,俄国著名物理学家波波夫(1859~1906)用“海因里希•鲁道夫•赫兹”这一串字母,拍发了世界上第一份电报。后人为纪念赫兹,用他的名字来命名频率的单位,简称“赫”。


发布时间:2008-5-16 16:48:31  阅读次数:9011

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