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에드워드 빅터 애플턴

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목차

1. 개요

에드워드 빅터 애플턴은 영국의 물리학자로, 전리층 연구를 통해 1947년 노벨 물리학상을 수상했다. 그는 케임브리지 세인트 존스 칼리지에서 물리학을 전공하고, 제1차 세계 대전 참전 후 캐번디시 연구소에서 연구를 시작했다. 킹스 칼리지 런던과 케임브리지 대학교에서 교수를 역임했으며, 과학산업 연구부 장관과 에든버러 대학교 총장을 지냈다. 애플턴은 이오노스피어의 존재를 증명하고 그 구조를 밝혀냈으며, 그의 연구는 레이더 개발에 기여했다. 이 외에도 자기 이온 이론을 개발하고 11년 태양 흑점 주기, 오로라, 자기 폭풍과의 연관성을 밝혀냈다. 그의 업적을 기려 애플턴 연구소, 애플턴 메달 등이 명명되었다.

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에드워드 빅터 애플턴 - [인물]에 관한 문서
기본 정보
1947년의 애플턴
작위 접두사서
이름에드워드 빅터 애플턴
출생일1892년 9월 6일
출생지잉글랜드 웨스트라이딩오브요크셔 브래드퍼드
사망일1965년 4월 21일
사망지스코틀랜드 에든버러
안장 장소모닝사이드 묘지, 에든버러
직위
직위에든버러 대학교 총장 겸 부총장
임기 시작1949년 2월 1일
임기 종료1965년 4월 21일
총장빅터 호프, 린리스고우 후작 2세
필립, 에든버러 공작
이전존 프레이저 경
이후스완 남작
학문적 경력
모교세인트존스 칼리지, 케임브리지
학문 지도 교수어니스트 러더퍼드
조지프 존 톰슨
주목할 만한 제자칼 조지 에멜레우스
찰스 오틀리
J. A. 래트클리프
근무 기관킹스 칼리지 런던
케임브리지 대학교
연구 및 업적
주요 업적전리층 발견
애플턴-하트리 방정식
분야물리학
개인 생활
배우자제소 롱슨 (1915년–1962년)
헬렌 레니 (1965년)
자녀2명
수상 내역
수상왕립학회 회원 (1927년)
휴즈 메달 (1933년)
패러데이 메달 (1946년)
노벨 물리학상 (1947년)
추리 메달 및 상 (1947년)
왕립 메달 (1950년)
앨버트 메달 (1950년)
IRE 명예 메달 (1962년)

2. 생애

에드워드 빅터 애플턴 경의 묘, 에든버러 모닝사이드 묘지


에드워드 빅터 애플턴은 요크셔 서라이딩 브래드퍼드에서 태어나 한손 문법학교에서 교육을 받았다.[5] 1911년, 케임브리지 세인트 존스 칼리지에 장학금을 받고 입학하여 1913년 물리학을 전공으로 자연과학 1등급 우등으로 졸업했으며, 아이작 뉴턴 대학교 로지의 회원이었다.[6]

제1차 세계 대전 중 웨스트 라이딩 연대에 입대했다가 왕립 공병대로 전속되었다. 종전 후 1920년 캐번디시 연구소에서 실험 물리학 조교수가 되었고, 1922년에는 프리메이슨에 입회했다.[7] 1924년부터 1936년까지 킹스 칼리지 런던에서, 1936년부터 1939년까지 케임브리지 대학교에서 자연철학 교수를 역임했다. 1939년부터 1949년까지 과학산업 연구부의 장관을 지냈으며, 1941년 기사 작위를 받았다. 1947년 전리층 연구로 노벨 물리학상을 수상했는데, 이는 레이더 개발로 이어졌다.[8]

1949년부터 1965년 사망할 때까지 에든버러 대학교의 총장 겸 부총장을 역임했다.[9] 1960년부터 에든버러의 역사적인 남쪽 지역 125에이커를 철거하는 CDA(종합 개발 지역) 계획에 참여했는데, 이 대학 주도 프로젝트는 1970년대 중반 폐기될 때까지 10년 동안 지역을 황폐화시켰다. 최근 한 연구에서는 이 계획을 추진하려는 그의 욕망을 과대망상으로 묘사하기도 했다.[10]

1956년 BBC는 그에게 연례 라이트 강좌를 맡아달라고 요청했고, "과학과 국가"라는 제목의 6개 라디오 방송을 통해 당시 영국의 과학 활동의 여러 측면을 탐구했다.

2. 1. 가족 관계

애플턴은 창고 관리인 피터 애플턴과 메리 윌콕의 아들로 요크셔 서라이딩의 브래드퍼드에서 태어났다.[5] 1915년 그는 첫 번째 부인인 제시 애플턴(옛 성은 롱슨)과 결혼하여 두 자녀를 두었다. 첫 번째 부인 사후 3년 후 헬렌 레니와 재혼했다(1965년 결혼).[6] 에드워드 경은 1965년 4월 21일 에든버러에서 사망하여 그의 부인 헬렌 레니(1983년 사망)와 함께 에든버러의 모닝사이드 묘지에 묻혔다.[11]

3. 전리층 연구 및 업적

애플턴은 중파 대역과 같은 주파수에서 송신기로부터 약 160km 정도 떨어진 곳에서 수신되는 무선 신호의 세기가 낮에는 일정하지만 밤에는 변한다는 것을 관찰했다. 그는 이것이 지상을 따라 이동하는 신호와 대기 상층에서 반사되는 신호, 두 가지 무선 신호가 간섭을 일으키기 때문이라고 생각했다.

대기 반사층의 존재는 밸푸어 스튜어트가 19세기 후반 지구 자기장의 주기적인 변화를 설명하기 위해 처음 제안했고, 1902년 올리버 헤비사이드와 아서 E. 케넬리가 대서양 횡단 무선 통신 성공을 설명하기 위해 전자기 반사층(현재의 케넬리-헤비사이드 층)을 제안하면서 알려졌다.

1901년 구리엘모 마르코니의 대서양 횡단 무선 통신 성공은 전파가 직진하지 않고 지구를 따라 전파된다는 것을 보여주었고, 1902년 올리버 헤비사이드와 아서 케네리는 대기 상층부에 전파를 반사하는 층이 있다고 예측했다. 1924년 애플턴의 실험은 전리층의 존재를 증명하고 그 층까지의 거리를 측정했다. 그는 지표면 100km 상공의 케네리-헤비사이드 층(E층)과 200km~300km 상공의 애플턴 층(F층)을 확인했다. 본머스 BBC 방송국의 발진기에서 나온 전파를 케임브리지 근처에서 수신하여, 직접 도달한 전파와 전리층에서 반사된 전파의 간섭 파형을 조사하여 전리층까지의 거리를 계산했다.

애플턴의 연구는 이오노스피어의 높이 측정, 자기 이온 이론 개발, 레이더 기술 발전에 기여했다.

3. 1. 자기 이온 이론

애플턴은 중파 대역 등의 주파수에서 약 100마일(160km) 떨어진 송신기로부터 수신되는 무선 신호의 세기가 낮에는 일정하지만, 밤에는 변하는 현상을 관찰했다. 그는 이것이 지상을 따라 이동하는 신호와 대기 상층에서 반사되는 신호, 두 가지 무선 신호가 간섭을 일으키기 때문이라고 생각했다.

대기 반사층의 존재는 밸푸어 스튜어트가 19세기 후반 지구 자기장 변화를 설명하기 위해 처음 제안했고, 1902년 올리버 헤비사이드와 아서 E. 케넬리가 대서양 횡단 무선 통신 성공을 설명하기 위해 전자기 반사층(현재의 케넬리-헤비사이드 층)을 제안하면서 알려졌다.

애플턴은 일몰 무렵 무선 신호 수신 변화가 이오노스피어(전리층)의 증거라고 생각했다. 그는 두 파의 간섭으로 인한 변화를 확인하고, 이오노스피어에서 반사되는 두 번째 파의 존재를 증명하는 실험을 고안했다. 이 실험은 반사 하한을 결정하는 두 가지 방법, 즉 주파수 변조 방법과 반사 신호의 도착 각도 계산 방법을 사용했다.

주파수 변조 방법은 지상파와 반사파의 경로 차이를 이용한다. 송신기에서 수신기까지 다른 거리를 이동하는 두 파의 경로 차이(D)는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

::D = h' - h

여기서 h는 지상파가 이동한 거리, h'는 반사파가 이동한 거리이다.

두 파 사이의 파장 수 차이는 다음과 같다.

::\frac{h-h'}{\lambda}=\frac{D}{\lambda}=N

여기서 λ는 송신 신호의 파장이다.

N이 정수이면 보강 간섭이 발생하여 최대 신호가, 반 파장의 홀수이면 상쇄 간섭이 발생하여 최소 신호가 수신된다. 파장 λ를 변경하면 N은 정수가 아니게 되어 상쇄 간섭이 발생하고, 신호가 약해진다. 최대 신호가 다시 수신될 때까지 λ를 계속 변경하면, 새로운 값 λ'에 대해 새로운 값 N'도 정수가 된다. λ를 연장했다면 N'은 N보다 1 작다는 것을 알 수 있다. 따라서:

::N-N'=\frac{D}{\lambda}-\frac{D}{\lambda'}=1

D에 대해 정리하면 다음과 같다.

::D=h-h'=\frac{1}{\frac{1}{\lambda}-\frac{1}{\lambda'}}

λ와 λ'를 알고 있으므로 D를 계산할 수 있고, 이 값을 사용하여 반사층의 높이를 계산할 수 있다.

애플턴은 1924년 BBC 번머스 방송국과 옥스퍼드 수신국을 이용한 실험을 통해 이오노스피어의 높이를 처음으로 계산했다. 그는 주파수 변조 방법을 통해 파가 약 90km 상공에서 반사된다는 것을 확인했다. 또한, 수신기에서 반사파의 입사각을 측정하여 파가 위에서 오고 있다는 것을 증명하고, 주파수 변조 방법과 일치하는 반사 높이 결과를 얻었다.

애플턴은 헨드릭 로렌츠와 제임스 클러크 맥스웰의 연구를 바탕으로 자기 이온 이론을 개발하여 이오노스피어의 작동 방식을 모델링했다. 그는 케넬리-헤비사이드 층이 이온화되어 전도성이 높으며, 자유 전자가 이온화 작용제임을 밝혀냈다. 또한, 특정 주파수 이상의 파는 이 층을 투과하고, 이 임계 주파수를 통해 층의 전자 밀도를 계산할 수 있음을 발견했다.

애플턴은 더 높은 층에서 반사되는 투과 파를 발견하고, 이오노스피어가 복잡한 구조를 가지고 있음을 밝혀냈다. 그는 하부 층을 E층(약 125km), 상부 층을 F층(약 300km~400km, 애플턴 층)으로 분류했다. F층은 장거리 단파 통신을 가능하게 한다.[12]

자기 이온 이론은 낮과 밤에 따라 달라지는 무선 신호 페이딩 현상을 설명할 수 있게 해주었다. 낮에는 태양 빛으로 인해 낮은 고도에서도 공기 분자가 이온화되어 전자 밀도가 높아지고, 이는 전자기파 흡수를 유발한다. 해가 지면 자유 전자 밀도가 감소하여 흡수율이 낮아지고, 파가 반사되어 간섭 현상이 발생한다. 애플턴은 반사 높이가 해가 지면서 증가하고, 해가 뜨면서 감소한다는 것을 발견했다. 이는 이온화가 태양의 영향 때문이며, 일몰 시 이온 재결합이 저고도에서 고고도로 천천히 진행되어 파가 반사되는 높이가 점차 증가하기 때문이다.

애플턴의 연구는 11년 태양 흑점 주기, 오로라, 자기 폭풍과 무선 정전 간의 연관성을 밝혀냈다. 제2차 세계 대전 중에는 이러한 현상을 예측하고 통신에 영향을 적게 주는 파장으로 전환하는 데 기여했다. 또한, 그의 연구는 레이더 개발의 기반이 되었다. 펄스 방법을 통해 이오노스피어 측정을 위한 새로운 방법을 개발하고, 로버트 왓슨-와트가 항공기 탐지에 적용했다. 오늘날 이오노스피어 데이터는 위성 통신에 필요한 주파수 선택에 활용된다.

1974년, 무선 연구소는 애플턴의 공로를 기리기 위해 애플턴 연구소로 이름이 변경되었다.

3. 2. 레이더 개발 기여

애플턴은 1924년 BBC 방송국의 송출 주파수를 변경하는 실험을 통해 이오노스피어(전리층)의 존재를 확인하고, 반사되는 전파의 높이를 측정했다. 이 연구는 레이더(Radar) 개발의 핵심적인 토대가 되었다. 그는 무선 신호가 지상을 따라 이동하는 파동과 대기 상층에서 반사되는 파동의 간섭으로 인해 밤에 세기가 변하는 현상을 관찰했다.

애플턴은 주파수 변조 방법을 사용하여 반사층의 높이를 계산했다. 송신기와 수신기 사이의 경로 차이를 이용하여, 파장 변화에 따른 간섭 패턴을 분석하여 반사층의 높이를 추정했다.

이후 펄스 방법을 통해 이오노스피어를 측정하는 새로운 방법을 고안했고, 이는 로버트 왓슨-와트(Robert Watson-Watt)에 의해 항공기 탐지에 활용되는 레이더 기술로 발전했다.[12]

4. 수상 및 서훈

수상 및 서훈


5. 기타



1956년 BBC는 애플턴에게 라이트 강좌를 맡아달라고 요청했다. 그는 "과학과 국가"라는 제목의 6개 라디오 방송 연설을 통해 당시 영국의 과학 활동의 여러 측면을 탐구했다.[11]

애플턴은 1965년 4월 21일 에든버러에서 사망하여 에든버러의 모닝사이드 묘지에 부인 헬렌 레니(1983년 사망)와 함께 묻혔다.[11] 묘는 북서쪽의 새로운 주택 근처 서쪽 끝 부근에 있다.

참조

[1] 저널 Edward Victor Appleton 1892–1965
[2] 웹사이트 BBC – History – Sir Edward Appleton https://www.bbc.co.u[...] BBC
[3] 저널 Sir Edward Appleton
[4] 웹사이트 The Nobel Prize in Physics 1947 https://www.nobelpri[...] 2024-04-20
[5] 웹사이트 The Nobel Prize in Physics 1947 https://www.nobelpri[...] 2021-08-17
[6] 웹사이트 Famous Freemasons A-L http://lodgestpatric[...]
[7] 웹사이트 Archived copy https://web.archive.[...] 2019-01-02
[8] 저널 Wireless Studies of the Ionosphere
[9] 서적 Bradford's Own Sutton
[10] 간행물 Toun's College or College's toun?
[11] 웹사이트 50th anniversary tributes paid in memory of pioneering scientist https://www.ph.ed.ac[...] 2015-05-19
[12] 웹사이트 Edward V. Appleton http://www.ieeeghn.o[...] IEEE History Center 2011-07-14
[13] 웹사이트 Book of Members, 1780–2010: Chapter A http://www.amacad.or[...] American Academy of Arts and Sciences 2011-04-19
[14] Kotobank 2021-03-19
[15] 저널 Supplement to The London Gazette: 1941 New Year Honours https://www.thegazet[...] 2016-10-10
[16] 저널 Supplement to The London Gazette: 1946 New Year Honours https://www.thegazet[...] 2016-10-10


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