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| 海因里希·魯道夫·赫茲 | |
|---|---|
| 出生 | 1857年2月22日(丁巳年) |
| 國籍 | 德國 |
| 別名 | 赫茲 |
| 職業 | 物理學家 |
人物信息
中文名： 海因里希·魯道夫·赫茲
外文名： Heinrich Rudolf Hertz
別 名 ：赫茲
國 籍：德國
出生地： 德國漢堡
出生日期 ：1857年2月22日(丁巳年)
逝世日期： 1894年1月1日（甲午年）
职 业： 物理学家
畢業院校： 柏林大學
主要成就： 用實驗證明電磁波存在 ；測出電磁波傳播的速度跟光速相同 ；觀察到電磁波有聚焦、直進、反射、折射和偏振現象 ；證明了當原子受到電子的衝擊激發而發射譜線，能量是分立的。
海因里希·魯道夫·赫茲 （Heinrich Rudolf Hertz，1857年2月22日－1894年1月1日），德國物理學家，於1888年首先證實了電磁波的存在。並對電磁學有很大的貢獻，故頻率的國際單位制單位赫茲以他的名字命名。
任務生涯
1857年（丁巳年）2月22日赫茲出生在德國漢堡一個改信基督教的猶太家庭。父親是漢堡城的一名顧問，母親是一位醫生的女兒。
在他去柏林大學就讀之前就已經展現出良好的科學和語言天賦，喜歡學習阿拉伯語和梵文。
他曾經在德國德累斯頓、慕尼黑和柏林等地學習科學和工程學。他是古斯塔夫·基爾霍夫和赫爾曼·范·亥姆霍茲的學生。1880年赫茲獲得博士學位，但繼續跟隨亥姆霍茲學習，直到1883年他收到來自基爾大學出任理論物理學講師的邀請。
一八八五年三月，赫茲轉到德國西南部邊境的卡爾斯魯爾(Karlsruhe)技術學院，擔任物理系教授。又開始裝配他的電學實驗室，並且在上課時示範電學實驗。
他說：『我不相信一個人只由理論，就可以知道實際。
小學校的實驗經費少得可憐，他卻一點一滴造出一間精密的電磁實驗室。系上教三角學的多爾(MaxDoll)教授很欣賞他，知道這個年輕人身上有一種不與人比較的風骨；他請赫茲來家裡坐坐，把女兒伊利沙白(ElisabethDoll)介紹給他。
伊利沙白後來寫下：『赫茲在星光下有一種近乎驕傲的自信。他自認是全世界唯一了解星光是什麼的人，在他看來滿天的星光是不同的光體，規律地發出不同頻率的電磁波來到地上…… 在他的說明中，星夜不只是美麗的，而且是規則準確的。』赫茲的自信沒有錯，十九世紀全世界最懂電磁波實驗的有兩人，一位是法拉第(Michael Faraday)，另一位就是赫茲。
伊利沙白不懂電磁波，但是她知道這位尋求科學之真的男士，心裡也是一片真誠與率直。他們認識不到四個月就結婚，當時赫茲二十九歲。
赫茲找到愛情的歸宿，並展開他一生最著名的研究。因為這一實驗研究的成功，後來紐約物理系教授薛默士(Morris H．Shamos)回顧歷史上物理學家，由伽利略到愛因斯坦，他認為最偉大的物理實驗家就是赫茲。赫茲以實驗證明人類千古的謎團--光的本質是電磁波。
科研成就
1885年他獲得卡爾斯魯厄大學正教授資格，並在那裡發現電磁波。1885年，吉爾大學準備晉升赫茲為副教授，但他不願獲得一個純理論物理學家的職位。正在此時，卡爾斯魯厄工業大學
準備給予赫茲物理學教授職位。考慮到該大學有較好的物理研究所，於是他便來到了卡爾斯魯厄大學。起初赫茲在卡爾斯魯厄感到有些孤獨，並對自己未來的研究沒有把握。但在隨後的時間裡，赫茲完成了兩件大事。1886年7月，在經過三個月的求婚之後，赫茲與一位同事的女兒伊利莎白·多爾(Elisabeth Doll)完婚。隨後，赫茲着手並最終完成了那個給他帶來世界性聲譽的電磁波實驗。
赫茲在柏林大學隨赫爾姆霍茲學物理時，受赫爾姆霍茲之鼓勵研究麥克斯韋電磁理論，當時德國物理界深信韋伯的電力與磁力可瞬時傳送的理論。因此赫茲就決定以實驗來證實韋伯與麥克斯韋理論誰的正確。
依照麥克斯韋理論，電擾動能輻射電磁波。赫茲根據電容器經由電火花隙會產生振盪原理，設計了一套電磁波發生器，赫茲將一感應線圈的兩端接於產生器二銅棒上。當感應線圈的電流突然中斷時，其感應高電壓使電火花隙之間產生火花。瞬間後，電荷便經由電火花隙在鋅板間振盪，頻率高達數百萬周 。
由麥克斯韋理論，此火花應產生電磁波，於是赫茲設計了一簡單的檢波器來探測此電磁波。他將一小段導線彎成圓形，線的兩端點間留有小電火花隙。
因電磁波應在此小線圈上產生感應電壓，而使電火花隙產生火花。所以他坐在一暗室內，檢波器距振盪器10米遠，結果他發現檢波器的電火花隙間確有小火花產生。赫茲在暗室遠端的牆壁上覆有可反射電波的鋅板，入射波與反射波重疊應產生駐波，他也以檢波器在距振盪器不同距離處偵測加以證實。
赫茲先求出振盪器的頻率，又以檢波器量得駐波的波長，二者乘積即電磁波的傳播速度。正如麥克斯韋預測的一樣。電磁波傳播的速度等於光速。
1888年，赫茲的實驗成功了，而麥克斯韋理論也因此獲得了無上的光彩。赫茲在實驗時曾指出，電磁波可以被反射、折射和如同可見光、熱波一樣的被偏振。由他的振盪器所發出的電磁波是平面偏振波，其電場平行于振盪器的導線，而磁場垂直於電場，且兩者均垂直傳播方向。
1889年在一次著名的演說中，赫茲明確的指出，光是一種電磁現象。第一次以電磁波傳遞訊息是1896年意大利的馬可尼開始的。1901年，馬可尼又成功的將訊號送到大西洋彼岸的美國。
20世紀無線電通訊更有了異常驚人的發展。赫茲實驗不僅證實麥克斯韋的電磁理論，更為無線電、電視和雷達的發展找到了途徑。
隨着邁克爾遜在1881年進行的實驗和 1887年的邁克爾遜-莫雷實驗推翻了光以太的存在，赫茲改寫了麥克斯韋方程組，將新的發現納入其中。
通過實驗，他證明電信號象詹姆士·麥克斯韋和邁克爾·法拉第預言的那樣可以穿越空氣，這一理論是發明無線電的基礎。他注意到帶電物體當被紫外光照射時會很快失去它的電荷，發現了光電效應（後來由阿爾伯特·愛因斯坦給予解釋）。
英年早逝
1894年37歲的赫茲因為敗血症在波恩英年早逝。他的侄子古斯塔夫·路德維格·赫茲是諾貝爾獎獲得者，古斯塔夫的兒子卡爾·海爾莫斯·赫茲創立了超聲影像醫學。
在1892年，赫茲被診斷出感染了韋格納肉芽腫(發病時會經歷劇烈的頭痛)，而他試着去治療這種疾病。
在1894年，赫茲在德國波恩不幸離世，享年36歲，他死後被埋在Ohlsdorf漢堡的猶太墓地。 赫茲死後留下了他的妻子伊麗莎白‧赫茲（原名：伊麗莎白‧道歐）和兩名女兒喬安娜和瑪蒂爾德。
而他的妻子在他死後並沒有改嫁。 1930那年代，希特勒崛起，他的妻子和兩名女兒也從德國搬到英國。 1960年，查爾斯薩‧斯坎德拜訪了瑪蒂爾德‧赫茲，詢問有關她父親的事，並在不久之後出版了一本有關海因里希‧赫茲的書。根據查爾斯薩的書指出，赫茲的兩名女兒都沒有結婚，因此他沒有任何後裔。
任務貢獻
赫茲對人類文明作出了很大貢獻，正當人們對他寄以更大期望時，他卻於1894年元旦因血中毒逝世，年僅36歲。
為了紀念他的功績，人們用他的名字來命名各種波動頻率的單位，簡稱「赫」。赫茲也是是國際單位制中頻率的單位，它是每秒中的周期性變動重複次數的計量。赫茲的名字來自於德國物理學家海因里希·魯道夫·赫茲。
其符號是Hz。電（電壓或電流），有直流和交流之分。在通信應用中，用作信號傳輸的一般都是交流電。呈正弦變化的交流電信號，隨着時間的變化，其幅度時正、時負，以一定的能量和速度向前傳播。
通常，我們把上述正弦波幅度在1秒鐘內的重複變化次數稱為信號的「頻率」，用f表示；而把信號波形變化一次所需的時間稱作「周期」，用T表示，以秒為單位。波行進一個周期所經過的距離稱為「波長」，用λ表示，以米為單位。f、T和λ存在如下關係： f=1/T ，v=λ.f ，其中，v是電磁波的傳播速度，等於3x10^8米/秒。
頻率的單位是赫茲，簡稱赫，以符號Hz表示。
赫茲（H·Hertz）是德國著名的物理學家，1887年，是他通過實驗證實了電磁波的存在。後人為了紀念他，把「赫茲」定為頻率的單位。常用的頻率單位還有千赫（KHz）、兆赫（MHz）、吉赫（GHz）等。
在載帶信息的電信號中，有時會包含多種頻率成分；將所有這些成分在頻率軸上的位置標示出來，並表示出每種成分在功率或電壓上的大小，這就是信號的「頻譜」。它所占據的頻率範圍就叫做信號的頻帶範圍。例如，在電話通信中，話音信號的頻率範圍是300～3400赫；在調頻(FM）廣播中，聲音的頻率範圍是40赫～15千赫，電視廣播信號的頻率範圍是0～4.2兆赫等。
完善方程
海因里希·魯道夫·赫茲（Heinrich Rudolf Hertz）在1886年至1888年間首先通過試驗驗證了麥克斯韋爾的理論。他證明了無線電輻射具有波的所有特性，並發現電磁場方程可以用偏微分方程表達，通常稱為波動方程。
1887年11月5日，赫茲在寄給亥姆霍茲一篇題為《論在絕緣體中電過程引起的感應現象》的論文中，總結了這個重要發現。
接着，赫茲還通過實驗確認了電磁波是橫波，具有與光類似的特性，如反射、折射、衍射等，並且實驗了兩列電磁波的干涉，同時證實了在直線傳播時，電磁波的傳播速度與光速相同，從而全面驗證了麥克斯韋的電磁理論的正確性。並且進一步完善了麥克斯韋方程組，使它更加優美、對稱，得出了麥克斯韋方程組的現代形式。此外，赫茲又做了一系列實驗。
他研究了紫外光對火花放電的影響，發現了光電效應，即在光的照射下物體會釋放出電子的現象。
這一發現，後來成了愛因斯坦建立光量子理論的基礎。1888年1月，赫茲將這些成果總結在《論動電效應的傳播速度》一文中。赫茲實驗公布後，轟動了全世界的科學界。
由法拉第開創，麥克斯韋總結的電磁理論，至此才取得決定性的勝利。
1888年，成了近代科學史上的一座里程碑。赫茲的發現具有劃時代的意義，它不僅證實了麥克斯韋發現的真理，更重要的是開創了無線電電子技術的新紀元。
隨着邁克爾遜在1881年進行的實驗和1887年的邁克爾遜-莫雷實驗推翻了光以太的存在，赫茲改寫了麥克斯韋方程組，將新的發現納入其中。通過實驗，他證明電信號象詹姆士·麥克斯韋和邁克爾·法拉第預言的那樣可以穿越空氣，這一理論是發明無線電的基礎。他注意到帶電物體當被紫外光照射時會很快失去它的電荷，發現了光電效應，後來由阿爾伯特·愛因斯坦給予解釋。
講解光電
光照射到某些物質上，引起物質的電性質發生變化。這類光致電變的現象被人們統稱為光電效應。
金屬表面在光輻照作用下發射電子的效應，發射出來的電子叫做光電子。光波長小於某一臨界值時方能發射電子，即極限波長，對應的光的頻率叫做極限頻率。臨界值取決於金屬材料，而發射電子的能量取決於光的波長而與光強度無關，這一點無法用光的波動性解釋。
還有一點與光的波動性相矛盾，即光電效應的瞬時性，按波動性理論，如果入射光較弱，照射的時間要長一些，金屬中的電子才能積累住足夠的能量，飛出金屬表面。
可事實是，只要光的頻率高於金屬的極限頻率，光的亮度無論強弱，光子的產生都幾乎是瞬時的，不超過十的負九次方秒。正確的解釋是光必定是由與波長有關的嚴格規定的能量單位（即光子或光量子）所組成。
這種解釋為愛因斯坦所提出。光電效應由德國物理學家赫茲於1887年發現，對發展量子理論起了根本性作用，在光的照射下，使物體中的電子脫出的現象叫做光電效應（Photoelectric effect）。
光電效應分為光電子發射、光電導效應和光生伏打效應。前一種現象發生在物體表面，又稱外光電效應。後兩種現象發生在物體內部，稱為內光電效應。光電效應里，電子的射出方向不是完全定向的，只是大部分都垂直於金屬表面射出，與光照方向無關，光是電磁波，但是光是高頻震盪的正交電磁場，振幅很小，不會對電子射出方向產生影響。
hυ=(1/2)mv^2+I+W 式中（1/2)mv^2是脫出物體的光電子的初動能。金屬內部有大量的自由電子，這是金屬的特徵，因而對於金屬來說，I項可以略去，愛因斯坦方程成為 hυ=(1/2)mv^2+W 假如hυ<W，電子就不能脫出金屬的表面。
對於一定的金屬，產生光電效 應的最小光頻率（極限頻率） υ0。由 hυ0=W確定。相應的極限波長為 λ0=C/υ0=hc/W。發光強度增加使照射到物體上的光子的數量增加，因而發射的光電子數和照射光的強度成正比。
③利用光電效應可製造光電倍增管。光電倍增管能將一次次閃光轉換成一個個放大了的電脈衝，然後送到電子線路去，記錄下來。
算式在以愛因斯坦方式量化分析光電效應時使用以下算式：光子能量= 移出一個電子所需的能量 + 被發射的電子的動能 代數形式：hf=φ+Em φ=hf0 Em=(1/2)mv^2 其中 h是普朗克常數，h = 6.63 ×10^-34 J·s，f是入射光子的頻率，φ是功函數，從原子鍵結中移出一個電子所需的最小能量，f0是光電效應發生的閥值頻率，Em是被射出的電子的最大動能，m是被發射電子的靜止質量，v是被發射電子的速度，如果光子的能量（hf）不大於功函數（φ），就不會有電子射出。
功函數有時又以W標記。這個算式與觀察不符時（即沒有射出電子或電子動能小於預期），可能是因為系統沒有完全的效率，某些能量變成熱能或輻射而失去了。愛因斯坦因成功解釋了光電效應而獲得1921年諾貝爾物理學獎。
研究力學
接觸力學是研究相互接觸的物體之間如何變形的一門學科。
赫茲1882年發表了關於接觸力學的著名文章「關於彈性固體的接觸(On the contact of elastic solids)」，赫茲進行這方面研究的初衷是為了理解外力如何導致材料光學性質的改變。
為了發展他的理論，赫茲用一個玻璃球放置在一個稜鏡上，他首先觀察到這個系統形成了橢圓形的牛頓環，以此實驗觀察，赫茲假設玻璃球對稜鏡施加的壓力也為橢圓分布。隨後他根據壓力分布計算了玻璃球導致的稜鏡的位移並反算出牛頓環，以此再和實驗觀察對比以檢驗理論的正確性。
最後赫茲得到了接觸應力和法向加載力，接觸體的曲率半徑，以及彈性模量之間的關係。赫茲的方程是研究疲勞，摩擦以及任何有接觸體之間相互作用的基本方程。
赫茲接觸理論的主要缺點是沒有考慮兩個接觸體之間的結合力。這一問題在1971年 K. L. Johnson K. Kendall 和 A. D. Roberts解決，他們提出了最後以三人名字命名的JKR接觸理論。
JKR理論中他們考慮了材料的表面能效應，由於表面能的存在，相互接觸的固體之間將引進一個結合力，最後根據能量平衡的原理，他們得到一個方程描述接觸應力分布，接觸體曲率半徑，彈性模量以及材料表面能之間的關係。
在JKR模型中，當表面能為零時，方程自然過渡到赫茲方程。推導JKR模型的前提之一是，認為兩個接觸體的所有相互作用均發生在接觸半徑之內，後來證明如果採用不同的假設會得到不同的結論。1975年，B.V.Derjaguin, V. M. Muller and Y. P. Toporov等人假設接觸體之間相互作用可以發生在接觸半徑之外，據此假設提出了所謂的DMT模型試圖考慮結合力的影響。根據JKR和DMT模型，會的到不同的（pull-off)分離力（分開兩個接觸體所需要的最大作用力）,這一不同的結果曾引起很多爭論，最後Muller等人指出JKR和DMT模型各有各的應用範圍：JKR模型對大顆粒，高表面能，低彈性模量的材料描述較好。而DMT模型則相反。
由赫茲開創性工作開始，隨後由其他人完善的接觸力學理論是涉及到接觸體的各種科學及工程研究中不可缺少的工具之一。因此赫茲在接觸力學領域所作出的貢獻不應該被他在電磁學領域傑出的成就而忽視。
赫茲的主要貢獻是用實驗證明了電磁波的存在，並測出電磁波傳播的速度跟光速相同，還進一步觀察到電磁波具有聚焦、直進性、反射、折射和偏振等性質。
(1)赫茲證明電磁波存在的實驗：
赫茲是亥姆霍茲的學生，在老師的影響和要求下，他深入研究了電磁理論。1879年，德國柏林科學院懸獎征解，向當時科學界徵求對麥克斯韋電磁理論進行實驗驗證，促使年輕的赫茲萌發了進行電磁波實驗的雄心壯志。
赫茲的實驗裝置一部分如。AA′是兩塊40厘米見方的銅板，焊上直徑0.5厘米，長70厘米的銅棒，頭上各接一小銅球，相對放置，球中間留有空隙約0.75厘米。銅球表面仔細磨光，兩棒分別接到感應圈的兩端，當通電時，兩棒之間產生放電，形成振盪。
再取2毫米粗的銅棒做成圓環，半徑為35厘米，如中的B。圓環的空隙f，寬度可用精密螺旋調節，從零點幾毫米調到幾毫米。當放在適當位置時，f間隙會跟隨AA′產生火花放電，火花可長達6-7毫米。B環可圍繞平行於AA′面的法線mn旋轉，旋轉到不同位置，f放電的火花長度不一樣。當f處於a或a′時，完全沒有火花；轉動些許角度，開始會產生火花；轉至b或b′時，火花最大。
(2)赫茲測出電磁波速度：
赫茲最有說服力的實驗是直接測出電磁波的傳播速度。他用的裝置如下：導體AA′（赫茲稱之為原導體）在感應圈的激勵下產生電磁波。AA′平面與地板垂直，在圖中赫茲標了一條基線rs，下面是距離標記從離AA′中心點45厘米處計程。
實驗在一間15×14米的大教室進行，在基線的12米內無任何家具。整個房間遮黑，以便觀察放電火花。次迴路就是那個半徑為35厘米的圓環C或邊長60厘米的方形導線框B。
根據麥克斯韋理論，已經知道這個速度大概是每秒3萬公里，要直接測這樣的速度是十分困難的。赫茲想起了20年前他的老師昆特(Kundt)用駐波測聲速的方法，巧妙地設計了一個方案。
他在教室的牆壁上貼了一張4米高，2米寬的鋅箔，並將鋅箔與牆上所有的煤氣管道、水管等聯接，使電磁波在牆壁遭遇反射。前進波和反射波疊加的結果就會組成駐波，。
根據波動理論，駐波的節距等於半波長，測出節點的位置就可以知道波長。 赫茲沿基線rs移動探測線圈，果然在不同的位置上火花隙的長度不一樣。有的地方最強，這是波腹；有的地方最弱，甚至沒有火花，這是波節。
根據電容器的振盪理論赫茲算得電磁振盪的周期。從光速就是電磁波的速度的假設和測得的波長也可算出周期，兩者相差大約10%，赫茲證實了電磁波的速度就是光速。
(3)觀察到電磁波有聚焦、直進、反射、折射和偏振現象：
為了進一步考察電磁波的性質，赫茲又設計了一系列實驗，其中有聚焦、直進性、反射、折射和偏振。他用2米長的鋅板彎成拋物柱面形，，柱面的焦距大約為12.5厘米。
他把發射振子和接收振子分別安在兩塊柱面的焦線上，調整感應圈使發射振子產生電火花。當兩柱面正好面對時，接收振子也會發出火花；位置離開就不產生效果，由此證明電磁波和光波一樣也有聚焦和直進性的性質。
赫茲還用1.5米高重500千克的大塊瀝青做成三稜鏡，讓電磁波通過，和光一樣電磁波也發生折射。他測得最小偏向角為22°，三稜鏡的頂角是30°，由此算出瀝青對電磁波的折射率是1.69。他還用"金屬柵"顯示了電磁波的偏振性。
在1888年12月13日向柏林科學院作了題為《論電輻射》的報告，他以充分的實驗證據全面證實了電磁波和光波的同一性。他寫道："我認為這些實驗有力地剷除了對光、輻射熱和電磁波動之間的同一性的任何懷疑"。