瑞利


瑞利原名约翰·威廉·斯特拉特(John William Strutt),尊称瑞利男爵三世(Third Baron Rayleigh),1842年11月12日出生于英国埃塞克斯郡莫尔登(Malden)的朗弗德林园。他的父亲是第二世男爵约翰·詹姆斯·斯特拉特,母亲叫克拉腊·伊丽莎白·拉图哲,是理查德·维卡斯海军上校的小女儿。

瑞利 - 个人简介

瑞利原名期特墩特(R.J.Strutt),因为他祖父被英国皇室封为瑞利勋爵,他是第三世,故称瑞利勋爵第三。其父辈在科学上都没有什么声望,到瑞利勋爵第三,成了科学巨人,所以科学史上,不称他为斯特勒特,而称瑞利。1842年11月12日,瑞利生于英国的特伦,由于出身贵族,所以从小受到良好的教育。他在中小学时代,头脑聪敏,才气初露。1860年,以优异的成绩考入剑桥大学,1865年大学毕业时,列最优等。当时剑桥的主试人指出:“瑞利的毕业论文极好,不用修改就可以直接付印。”瑞利毕业后,在剑桥任教职,他对教学尽心尽力。1879年,剑桥大学著名物理教授麦克斯韦去世,空缺的剑桥大学卡文迪许实验室主任职位,由瑞利继任。瑞利对科研事业热情极高,投入了全部身心。他担任著名科研机构——卡文迪许实验室主任之后,扩大了招生人数,把革吞学院和纽那姆学院加以整顿,并批准招收女学生,使妇女和男子一样,享有同等的受教育的权力。瑞利在担任主任期间,自己带头捐出500英镑,同时还向友人募集了1500英镑,为实验室添置了大批 的新仪器,从而使实验室的科学研究设备得到充实。瑞利在卡文迪许实验室,精确地进行了银的电化当量研究,从而为电化学的发展作出了贡献。同时,他还对气体的化合体积及压缩性做了精密的定量研究。此外,他对光化学的研究也很有成就。瑞利是注重严格定量研究的化学家之一,他的作风极为严谨,对研究给果要求极为准确,这一点,成了他在科学上作出杰出贡献的重要基础。出身名望贵族的瑞利以严谨、广博、精深著称,并善于用简单的设备作实验而能获得十分精确的数据。气体密度测量本来是实验室中的一件常规工作,但是瑞利不放过常人不当回事的实验差异,终于作出了惊人的重大发现。这就是1892年瑞利从密度的测量中发现了第一个惰性气体——氩。1919年6月30日,瑞利逝世于英国埃塞克斯郡的威瑟姆。

瑞利 - 职业生涯

瑞利的一项重要研究是从空气和氮的化合物中制取纯净的氮。他经深入研究,1882年,向英国科学协会提出一份报告,精确地指出,氢和氧的密度比不是1:16,正确的比例应为1:15.882。从这件事可以看出他那极为严谨的工作态度。他还从事气体的化合体积及压缩性的精密测量,计算出许多气体在极限情况下的摩尔体积,并严格测定了氮的密度。瑞利在制取氧和氮的过程中发现,用三种不同的方法制取的氧,密度完全相等,而用不同的方法制取的氮,密度则有微小的差异。如由氨制得的氮,与由空气制得的氮密度就不同,前者要小5/1000左右。对此,他自己反复验证了多次。尽管从实验的角度来看,这个微小的差别是在允许范围内,但瑞利发现,这个“误差”总是表现为由空气除去氧、二氧化碳、水以后获得的氮,比由氮的化合物获得的氮重,误差虽小,但是不对称,这是用传统的说法无法解释的。因而,他将这一实验给果刊登在英国的《自然界》周刊。寻求读者的解答,但他一直没有收到答复。瑞利认为,之所以由空气制得的氮比重大一些,可能有四种解释:(1)由大气中所得的氮,可能还含有少量的氧。(2)由氨制得的氮,可能混杂了微量的氢。(3)由大气制得的氮,或许有类似臭氧的N分子存在。(4)由氨制得的氮,可能有若干分子已经分解,固而把氮气的密度降低了。第一个假设是不可能的,因为氧和氨的密度相差极微,必须杂有大量的氧、才有可能出现5/1000的差异。与此同时,瑞利又用实验证明;他由氨制得的氮,其中绝不含氢。第三个解释也不足置信,因为他采用无声放电使可能混杂N3的氮气变化,并没发现氮的密度有所变化,即不存在N3。第四种假设几乎是不可能的,因为如果存在游离的氮原子,必然会彼此给合为分子,不可能在正常条件下长期游离。正当瑞利困惑不解时,拉姆塞向瑞利提出,他要用新方法研究大气中的氮,瑞利对此慨然允许,并与拉姆塞精诚合作,这种研究导致了惊人的重大成果,发现了氦、氖、氩、氪、氙等整个一族的惰性气体元素。1894年5月24日,拉 姆塞给瑞利写信,提出了整个惰性气体族的设想。同年8月7日,以他们两个人的名义宣布了一种惰性气体元素的发现,英国科学协会主席马登提议,把这种气体命名为氖(Argon)。瑞利一生发表了许多学术论文,他文笔清雅畅达,所写文章大多有严格的数学证明,定量十分准确。后来,他把自己的论文整理为一部五卷本的论文集。论文集的开头,他写下了这样的言词:伟大精深啊,上帝造物之奇妙!研究探索吧,求得世界的奥秘,乐在其中矣!瑞利于1919年去世,比他的精诚合作者拉姆塞晚逝3年,享年77岁。据拉姆塞的学生特拉弗斯说,瑞利与拉姆塞之间往返信件极多,彼此关系十分融洽,“绝少猜疑,也无不正当的行为”,共同为科学而努力,毫无名利之争。瑞利逝世后,他的实验室曾供科学界参观,凡是来访问的科学家,对瑞利所用仪器的简单莫不惊异。瑞利实验室中的一切重要设备虽外形粗糙,但都制造得十分精密。瑞利就是用这些仪器做了极为出色的定量分析。后人经常记起这位伟大科学家的名言:一切科学上的最伟大的发现,几乎都来自精确的量度。

瑞利 - 辉煌人生

自从门捷列夫周期表提出以后,科学家对寻找新的元素以填补周期表上的空缺,表现出了很大的积极性。但是,人们没有想到,竟然在周期表上遗漏了整整一族性质特殊的惰性气体。1882年,瑞利为了证实普劳特假说,曾经测过氢和氧的密度。经过十年长期的测定,他宣布氢和氧的原子量之比实际上不是1:16,而是1:15.882。他还测定了氮的密度,他发现从液态空气中分馏出来的氮,跟从亚硝酸铵中分离出来的氮,密度有微小的但却是不可忽略的偏差。从液态空气中分馏出来的氮,密度为1.2572 g/cm3,而用化学方法从亚硝酸铵直接得到的氮,密度却为 1.2505 g/cm3。两者数值相差千分之几,在小数点后第三位不相同。他认为,这一差异远远超出了实验误差范围,一定有尚未查清的因素在起作用。为此他先后提出过几种假说来解释造成这种不一致的原因。其中有一种是认为在大气中的氮还含有一种同素异形体,就像氧和臭氧那样,这种同素异形体混杂在大气氮之中,而从化学方法所得应该就是纯净的氮。两者密度之差说明这种未知的成分具有更大的密度。于是,瑞利仿照臭氧的化学符号O3,称之为N3。可是论文发表后没有引起人们的普遍注意,只有化学家拉姆赛(W.Ramsay)表示有兴趣和他合作进一步研究这一问题。拉姆赛重复了瑞利的实验,宣布证实了瑞利的结果,肯定有N3的存在。两位科学家在经过严密的研究后,于1894年确定所谓的N3并不是氮的同素异形体,而是一种特殊的,从未观察到的不活泼的单原子气体,其原子量为39.95,在大气中约含0.93%。他们取名为氩,其希腊文的原意是“不活泼”的意思。第一个惰性气体就这样被发现了。这种普遍存在的大气成分,存在于人类身边,多少科学家在分析空气时,都错过了发现的机会。瑞利之所以抓住了这个机会,应该说是他严谨的科学态度、认真的周密研究的结果,假如他把千分之几的偏差简单地归于实验误差,就会轻易地失之交臂。瑞利和拉姆赛发现氩的过程,历经了10年之久的平凡琐碎的化学实验工作,他们不惜付出巨大劳动,亲自动手,一丝不苟,才终于取得有历史意义的重大成果。在发现氩之后,拉姆赛在瑞利的协助下又发现了氦,氪和氖。据说,拉姆赛在研究其它惰性气体时,曾将百余升的液态空气慢慢蒸发,逐步检查,才得以对空气的组成作出明确的判定。科学界对瑞利和拉姆赛的功绩作了充分的肯定,因此瑞利和拉姆赛在1904年分别被授予诺贝尔物理学奖和化学奖。瑞利勋爵的最初研究工作主要是光学和振动系统的数学研究,后来的 研究几乎涉及物理学的各个方面,如声学、波的理论、彩色视觉、电动力学、电磁学、光的散射、液体的流动、流体动力学、气体的密度、粘滞性、毛细作用、弹性和照相术。他的坚持不懈和精密的实验导致建立了电阻标准、电流标准和电动势标准,后来的工作集中在电学和磁学问题。在1877年—1878年期间,他的《声学理论》分为两卷出版。为了解释“天空为什么呈现蓝色”这个长期令人不解的问题,他导出了分子散射公式,这个公式被称为瑞利散射定律。在实验方面,他进行了光栅分辨率和衍射的研究,第一个对光学仪器的分辨率给出明确的定义;这项工作导致后来关于光谱仪的光学性质等一系列基础性的研究,对光谱学的发展起了重要作用。绝对黑体辐射和频率的关系是19世纪后半叶受到物理学界普遍关注的问题。瑞利在1900年从统计物理学的角度提出一个关于热辐射的公式,即后来所谓的瑞利-金斯公式,内容是说在长波区域,辐射的能量密度应正比于绝对温度。这一结果与实验符合得很好,为量子论的出现准备了条件。瑞利密切注意量子论和相对论的出现和发展。他对声光相互作用、机械运动模式、非线性振动等项目的研究,对整个物理学的发展都具有深远影响。瑞利在晚年依然积极致力于研究工作。1905年以后发表的论文就有90篇,并且一直在修订出版《声学原理》,这部著作至今不仅为研究机械振动的声学工作者当做经典巨著,而且也是对其他物理学者很有助益的参考文献。瑞利把诺贝尔奖金捐赠给卡文迪什实验室和剑桥大学图书馆。晚年还以很大兴趣研究教育问题。人们把瑞利作为经典物理学领域中最后一个伟大的多面手,是很适当的。

瑞利 - 瑞利散射

入射光在线度小于光波长的微粒上散射后散射光和入射光波长相同的现象。由英国物理学家瑞利提出而得名。瑞利,十九世纪最著名的物理学家之一,1842年11月12日出生于英国的莫尔登。据说,瑞利刚开始上学时并不用功,他虽然人很聪明,可却十分贪玩,学习成绩一直平平。10岁那年曾连续两次逃学,为此,他的爸爸妈妈很替他着急,为了孩子的前途,他们决定迁居伦敦。环境的改变,对瑞利的成长起到了良好的作用。另外,瑞利的父母还特地为他聘了一名家庭女教师,从此瑞利一改以前贪玩的习性,一心埋进书本中。瑞利对物理学曾出了很大的贡献,他在声学、波的理论、光学、光的散射、电力学、电磁学、水力学、液体流动理论方面都做出了不可磨灭的贡献,1904年,他因和拉姆塞同时发现了惰性元素氩(Ar)而荣获了该年度的诺贝尔物理学奖。1871年,瑞利在经过反复研究,反复计算的基础上,提出了著名的瑞利散射公式,当光线入射到不均匀的介质中,如乳状液、胶体溶液等,介质就因折射率不均匀而产生散射光。瑞利研究表明,即使均匀介质,由于介质中分子质点不停的热运动,破坏了分子间固定的位置关系,从而也产生一种分子散射,这就是瑞利散射。瑞利经过计算认为,分子散射光的强度与入射光的频率(或波长)有关,即四次幂的瑞利定律。正午时,太阳直射地球表面,太阳光在穿过大气层时,各种波长的光都要受到空气的散射,其中波长较长的波散射较小,大部分传播到地面上。而波长较短的蓝、绿光,受到空气散射较强,天空中的蓝色正是这些散射光的颜色,因此天空会呈现蓝色。正是由于波长较短的光易被散射掉,而波长较长的红光不易被散射,它的穿透能力也比波长短的蓝、绿光强,因此用红光作指示灯,可以让司机在大雾迷漫的天气里容易看清指示灯,防 止交通事故的发生。当前对海洋水色遥感精确瑞利散射的计算均采用查找表方式进行,但由于这些查找表是针对特定遥感器生成的,无法直接应用于新的水色遥感器,给实际应用带来一定程度的麻烦,为此提出了一种通用的海洋水色遥感精确瑞利散射查找表.首先,详细地推导了加倍法解大气矢量辐射传输方程的基本关系式和实际的计算原理.通过与MODIS精确瑞利散射查找表计算结果比较,证明利用加倍法计算瑞利散射的精度优于0.25%,完全能够满足当前海洋水色遥感大气校正对瑞利散射计算精度的要求,并可以用来生成精确瑞利散射查找表。其次,利用加倍法解大气矢量辐射传输方程,生成了一个通用的海洋水色遥感精确瑞利散射查找表,验证结果表明该查找表可用于所有水色遥感器的精确瑞利散射计算,且计算精度优于0.5%。这就是瑞利散射表在现代科学当中的重要应用。

瑞利 - 瑞利原理

瑞利-瑞利原理

瑞利原理用以计算振动系统固有频率的近似值,特别是最小固有频率(即基频)的上界的一个原理,是英国的瑞利于1873年提出的。它是振动理论中的一些极值原理以及计算固有频率和振型的瑞利-里兹法的理论基础。对于一个在稳定平衡位置附近振动的保守系统,假设它以某一满足变形连续条件和位移边界条件的可能位移为振型作简谐振动,它的角频率为[kg]。由于机械能守恒,[kg]系统最大势能[y1]等于最大动能[y1][kg]。[y1]可写成[y1]=[y1],式中[y1]为最大动能系数。最大势能和最大动能系数之比[412-50]称为瑞利商,它是可能位移的泛函。瑞利原理可表述为:当可能位移取某阶固有振型时,瑞利商取驻值,且该值就是对应阶固有角频率的平方。特别地,当可能位移取对应于基频的振型时,瑞利商取最小值,其值就是基频的平方。将瑞利原理应用于固有频率和振型的近似计算,就得到著名的瑞利-里兹法。它将可能位移表达成若干个给定的可能位移的线性组合,从而使瑞利商成为这个线性组合的系数的函数。利用瑞利商的驻值条件将问题化为以这些系数为未知量的代数特征值问题,而特征值就是固有频率近似值的平方,它们可以很容易地求出。其中,最小特征值是基频平方的偏大的近似值。再求出特征矢量就得到振型。作为特殊情形,若可能位移只用一个给定函数近似表达,就得到瑞利法,用它计算基频的上界非常简便有效。若可能位移和振型的差为一级小量,则用瑞利法求出的频率的误差为二级小量。例如,对一根两端固定且长为的均匀弦,可能位移可以取[412-05] ≥0; 当[412-01a]。与此对应的瑞利商为: [412-12],式中[kg2][kg2]为弦中的张力;为单位弦长的质量。由此得到的基频[kg]的近似值为 /2[kg]。若分别取 =1[kg2]2[kg2]和对应于[kg][kg]取极小时的[412-1],则 对应的近似值分别为[412-2]、 [412-3]以及[412-07]。而两端固定的均匀弦的基频的准确值为(1/2)[412-06]。所以基频的上述三个近似值和准确值的相对误差为 0.1、0.007和0.001。随着科学的发展,瑞利商和瑞利原理的应用远远超出了原来的范围,它在许多物理和数学领域的理论分析和数值计算技术中起着重要的作用。

瑞利 - 相关链接

http://m.physica.cn/about/004.htm
http://m.17348.com/wiki/%E7%91%9E%E5%88%A9
http://m.chinabaike.com/article/baike/wli/2008/200801101127950.html
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