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約翰·威廉·斯特拉特

約翰·威廉·斯特拉特
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出生	1842年11月12日-1919年06月30日
國籍	英國
別名	John William Strutt
職業	物理學家
知名於	氬的發現 瑞利散射 瑞利準則 聲學理論 瑞利波
知名作品	《聲學原理》

約翰·威廉·斯特拉特（John William Strutt），尊稱瑞利男爵三世（Third Baron Rayleigh）（1842—1919），英國物理學家。1904年，因「研究氣體密度，並從中發現氬」，瑞利被授予諾貝爾物理學獎。

雷利勳爵（Lord Rayleigh）本名約翰·威廉·斯特拉特，後因繼承了他祖父和父親的爵位，所以他在三十二歲的時候，就根據英國的習慣，稱為雷利勳爵第三，科學界一般則簡稱他為雷利勳爵。 他是十九世紀後期到二十世紀初期英國最出名的一位物理學家，他既在實驗物理方面，又在理論物理方面，有過重大的貢獻。儘管他的主要貢獻是在經典物理學方面，可是他晚年對於近代物理學，如量子論和相對論，都發表過重大意見。

1900年瑞利從統計物理學的角度提出一個關於熱輻射的公式，即後來所謂的瑞利-金斯公式，內容是說在長波區域，輻射的能量密度應正比於絕對溫度。這一結果與實驗符合得很好，為量子論的出現準備了條件。瑞利密切注意量子論和相對論的出現和發展。他對聲光相互作用、機械運動模式、非線性振動等項目的研究，對整個物理學的發展都具有深遠影響。

基本情況

中文名	約翰·威廉·斯特拉特	出生地	英國埃塞克斯郡莫爾登
外文名	John William Strutt	出生日期	1842年11月12日
職 業	物理學家	逝世日期	1919年06月30日
畢業院校	劍橋大學	研究領域	物理
代表作品	《聲學原理》	逝世地	英國埃塞克斯郡威特姆

人物生平

1842年11月12日出生於英國埃塞克斯郡莫爾登（Malden）的朗弗德林園。他的父親是第二世男爵約翰·詹姆斯·斯特拉特，母親叫克拉臘·伊麗莎白·拉圖哲，是理查德·維卡斯海軍上校的小女兒 [1] 。瑞利年幼時身體虛弱，他畢業於哈羅公學；

1861年進入劍橋大學三一學院學習數學，先後於1865年和1868年獲得學士和碩士學位。

1871年瑞利與詹姆斯·梅特蘭·鮑爾弗（James Maitland Balfour）的女兒伊夫琳·鮑爾弗（Evelyn Balfour）結婚，兩人育有三個兒子。其中長子後來成為帝國理工學院物理教授。

1873年，他的父親約翰·詹姆斯·斯特拉特，第二代瑞利男爵去世，他作為繼承人成為第三代瑞利男爵。同年當選為英國皇家學會院士。

1879年被劍橋大學任命，接替詹姆斯·克拉克·麥克斯韋擔任實驗物理教授及卡文迪許實驗室主任。

1884年，瑞利離開劍橋，到自己在埃塞克斯郡的別墅繼續實驗研究。

1887年至1905年，他在英國皇家研究所擔任自然哲學教授。

1905年至1908年，擔任英國皇家學會會長。

1908年至1919年，任劍橋大學校長。

1919年6月30日，瑞利在埃塞克斯郡威特姆去世。

瑞利把諾貝爾獎金捐贈給卡文迪什實驗室和劍橋大學圖書館。晚年還以很大興趣研究教育問題。

博士導師 ：愛德華·約翰·勞思

博士學生： J·J·湯姆孫；喬治·佩吉特·湯姆孫；賈格迪什·錢德拉·博斯

科學成就

氬的發現

1882年，瑞利為了證實普勞特假說，曾經測過氫和氧的密度。經過十年長期的測定，他宣布氫和氧的原子量之比實際上不是1：16，而是1：15.882。他還測定了氮的密度，他發現從液態空氣中分餾出來的氮，跟從亞硝酸銨中分離出來的氮，密度有微小的但卻是不可忽略的偏差。

從液態空氣中分餾出來的氮，密度為1.2572 g/cm3，而用化學方法從亞硝酸銨直接得到的氮，密度卻為 1.2505 g/cm3。兩者數值相差千分之幾，在小數點後第三位不相同。

他認為，這一差異遠遠超出了實驗誤差範圍，一定有尚未查清的因素在起作用。為此他先後提出過幾種假說來解釋造成這種不一致的原因。其中有一種是認為在大氣中的氮還含有一種同素異形體，就像氧和臭氧那樣，這種同素異形體混雜在大氣氮之中，而從化學方法所得應該就是純淨的氮。兩者密度之差說明這種未知的成分具有更大的密度。於是，瑞利仿照臭氧的化學符號O3，稱之為N3。

可是論文發表後沒有引起人們的普遍注意，只有化學家拉姆賽（W.Ramsay）表示有興趣和他合作進一步研究這一問題。拉姆賽重複了瑞利的實驗，宣布證實了瑞利的結果，肯定有N3的存在。兩位科學家在經過嚴密的研究後，於1894年確定所謂的N3並不是氮的同素異形體，而是一種特殊的，從未觀察到的不活潑的單原子氣體，其原子量為39.95，在大氣中約含0.93%。他們取名為氬，其希臘文的原意是「不活潑」的意思。第一個惰性氣體就這樣被發現了。

瑞利長期致力於氣體密度的研究，他在研究中發現從液態空氣中分餾出來的氮氣，跟從亞硝酸銨分解得到的氮氣，密度存在超過實驗誤差範圍的差異。後來他遇到威廉·拉姆齊，兩人決定合作查明這一問題的原因。

1894年8月13日，瑞利與拉姆齊宣布他們發現一種新的氣體元素氬。之後，在瑞利的協助下，拉姆齊又相繼發現了幾種新的惰性氣體元素。

聲學理論

瑞利勳爵的最初研究工作主要是光學和振動系統的數學研究，後來的研究幾乎涉及物理學的各個方面，如聲學、波的理論、彩色視覺、電動力學、電磁學、光的散射、液體的流動、流體動力學、氣體的密度、粘滯性、毛細作用、彈性和照相術。

他的堅持不懈和精密的實驗導致建立了電阻標準、電流標準和電動勢標準，後來的工作集中在電學和磁學問題。

1877年—1878年期間，他的《聲學理論》分為兩卷出版。為了解釋「天空為什麼呈現藍色」這個長期令人不解的問題，他導出了分子散射公式，這個公式被稱為瑞利散射定律。在實驗方面，他進行了光柵分辨率和衍射的研究，第一個對光學儀器的分辨率給出明確的定義；這項工作導致後來關於光譜儀的光學性質等一系列基礎性的研究，對光譜學的發展起了重要作用。

瑞利原理

瑞利原理（Rayleigh principle），是用以計算振動系統固有頻率的近似值，特別是最小固有頻率（即基頻）的上界的一個原理，是英國的瑞利於1873年提出的。它是振動理論中的一些極值原理以及計算固有頻率和振型的瑞利－里茲法的理論基礎。

瑞利原理可表述為：當可能位移取某階固有振型時，瑞利商取駐值，且該值就是對應階固有角頻率的平方。特別地，當可能位移取對應於基頻的振型時，瑞利商取最小值，其值就是基頻的平方。

將瑞利原理應用於固有頻率和振型的近似計算，就得到着名的瑞利－里茲法。它將可能位移表達成若干個給定的可能位移的線性組合，從而使瑞利商成為這個線性組合的係數的函數。利用瑞利商的駐值條件將問題化為以這些係數為未知量的代數特徵值問題，而特徵值就是固有頻率近似值的平方，它們可以很容易地求出。其中，最小特徵值是基頻平方的偏大的近似值。再求出特徵矢量就得到振型。

作為特殊情形，若可能位移只用一個給定函數近似表達，就得到瑞利法，用它計算基頻的上界非常簡便有效。若可能位移和振型的差為一級小量，則用瑞利法求出的頻率的誤差為二級小量。

隨着科學的發展，瑞利商和瑞利原理的應用遠遠超出了原來的範圍，它在許多物理和數學領域的理論分析和數值計算技術中起着重要的作用。

瑞利散射

1871年，瑞利在經過反覆研究，反覆計算的基礎上，提出了著名的瑞利散射公式，當光線入射到不均勻的介質中，如乳狀液、膠體溶液等，介質就因折射率不均勻而產生散射光。瑞利研究表明，即使均勻介質，由於介質中分子質點不停的熱運動，破壞了分子間固定的位置關係，從而也產生一種分子散射，這就是瑞利散射。

瑞利經過計算認為，分子散射光的強度與入射光的頻率（或波長）有關，即四次冪的瑞利定律。

學術著作

1905年以後發表的論文就有90篇，並且一直在修訂出版《聲學原理》。

在1877年—1878年期間，他的《聲學理論》分為兩卷出版。這部著作至今不僅為研究機械振動的聲學工作者當做經典巨着，而且也是對其他物理學者很有助益的參考文獻。

他還參與《大英百科全書》的編寫。

獲獎記錄

皇家獎章（1882年）

馬泰烏奇獎章（1894年）

科普利獎章（1899年）

1904年，因「研究氣體密度，並從中發現氬」，瑞利被授予諾貝爾物理學獎。

1920年，他被追授拉姆福德獎章。

後世紀念

火星和月球上有環形山以瑞利的名字命名。小行星22740也被命名為「瑞利星」。