约翰·威廉·斯特拉特

英国物理学家

约翰·威廉·斯特拉特（John William Strutt，1842年11月12日-1919年6月30日），尊称瑞利男爵三世（Third Baron Rayleigh），英国物理学家。1904年，因“研究气体密度，并从中发现氩”，瑞利被授予诺贝尔物理学奖。

人物生平

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。瑞利年幼时身体虚弱，他毕业于哈罗公学；

1861年进入剑桥大学三一学院学习数学，先后于1865年和1868年获得学士和硕士学位。

1871年瑞利与詹姆斯·梅特兰·鲍尔弗（James Maitland Balfour）的女儿伊夫琳·鲍尔弗（Evelyn Balfour）结婚，两人育有三个儿子。其中长子后来成为帝国理工学院物理教授。

1873年，他的父亲约翰·詹姆斯·斯特拉特，第二代瑞利男爵去世，他作为继承人成为第三代瑞利男爵。同年当选为英国皇家学会院士。

1879年被剑桥大学任命，接替詹姆斯·克拉克·麦克斯韦担任实验物理教授及卡文迪许实验室主任。

1884年，瑞利离开剑桥，到自己在埃塞克斯郡的别墅继续实验研究。

1887年至1905年，他在英国皇家研究所担任自然哲学教授。

1905年至1908年，担任英国皇家学会会长。

1908年至1919年，任剑桥大学校长。

1919年6月30日，瑞利在埃塞克斯郡威特姆去世。

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。

博士导师：爱德华·约翰·劳思

博士学生：约瑟夫·约翰·汤姆逊；乔治·佩吉特·汤姆孙；贾格迪什·钱德拉·博斯

科学成就

氩的发现

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/dm3，而用化学方法从亚硝酸铵直接得到的氮，密度却为 1.2505 g/dm3。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。

瑞利长期致力于气体密度的研究，他在研究中发现从液态空气中分馏出来的氮气，跟从亚硝酸铵分解得到的氮气，密度存在超过实验误差范围的差异。后来他遇到威廉·拉姆齐，两人决定合作查明这一问题的原因。

1894年8月13日，瑞利与拉姆齐宣布他们发现一种新的气体元素氩。之后，在瑞利的协助下，拉姆齐又相继发现了几种新的惰性气体元素。

声学理论

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。

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。

瑞利原理

瑞利原理（Rayleigh principle），是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。

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，就得到着名的瑞利－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。

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。

瑞利散射

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。

学术著作

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》。

在1877年-1878年期间，他的《声学理论》分为两卷出版。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着，而且也是对其他物理学者很有助益的参考文献。

他还参与《大英百科全书》的编写。

获奖记录

皇家奖章（1882年）

马泰乌奇奖章（1894年）