Джеймс Франк: Неміс физигі, Нобель сыйлықтың иесі

Кіріспе

Неміс физигі (1882–1964)

Джеймс Франк (26 тамыз 1882 – 21 мамыр 1964) – неміс физигі, 1925 жылы Густав Герцпен бірге «электронның атомға тигізетін әсердің заңдарын ашқандығы үшін» физика саласындағы Нобель сыйлығын жеңіп алған. Ол 1906 жылы докторлық диссертациясын, ал 1911 жылы Берлиндегі Фридрих Вильгельм университетінде хабилитациясын аяқтады, онда 1918 жылға дейін лекция оқыды және оқытты, профессор экстраординариус лауазымына жетті. Бірінші дүниежүзілік соғыс кезінде неміс армиясында ерікті болып қызмет етті. 1917 жылы газ шабуылында ауыр жарақат алды және І дәрежелі Темір крестпен марапатталды. Франк Кайзер Вильгельм қоғамының физикалық химия бөлімінің меңгерушісі болды. 1920 жылы Франк эксперименталды физика профессоры және Геттинген университетінің Екінші эксперименталды физика институтының директоры болды. Ол Теориялық физика институтының директоры Макс Борнмен бірге кванттық физика бойынша жұмыс істеді. Оның жұмыстарына Франк-Герц тәжірибесі кірді, бұл Бордың атом моделіне маңызды растау болды. Ол физика саласындағы әйелдердің, атап айтқанда Лиза Мейтнер, Герта Спонер және Хильда Левидің мансабын дамытуға көмектесті. 1933 жылы Германияда нацистік партия билікке келгеннен кейін Франк әріптестерінің жұмыстан босатылуына наразылық білдіріп, қызметінен кетті. Германиядан 1933 жылдың қарашасында кетер алдында Фредерик Линдманға жұмыстан шығарылған еврей ғалымдарына шетелде жұмыс табуға көмектесті. Даниядағы Нильс Бор институтында бір жыл өткізгеннен кейін ол АҚШ-қа көшіп, Балтимордағы Джонс Хопкинс университетінде, содан кейін Чикаго университетінде жұмыс істеді. Осы кезеңде ол фотосинтезбен қызығушылық таныта бастады. Франк Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде Манхэттен жобасына қатысты, Металлургиялық зертхананың химия бөлімінің директоры болды. Ол сондай-ақ атом бомбасының саяси және әлеуметтік мәселелері жөніндегі комитеттің төрағасы болды, бұл комитет Франк есебін жасаумен танымал, онда жапон қалаларына ескертусіз атом бомбаларын қолдануға болмайды деп ұсынылды.

James Franck (; 26 August 1882 – 21 May 1964) was a German physicist who won the 1925 Nobel Prize for Physics with Gustav Hertz "for their discovery of the laws governing the impact of an electron upon an atom". He completed his doctorate in 1906 and his habilitation in 1911 at the Frederick William University in Berlin, where he lectured and taught until 1918, having reached the position of professor extraordinarius. He served as a volunteer in the German Army during World War I. He was seriously injured in 1917 in a gas attack and was awarded the Iron Cross 1st Class. Franck became the Head of the Physics Division of the Kaiser Wilhelm Gesellschaft for Physical Chemistry. In 1920, Franck became professor ordinarius of experimental physics and Director of the Second Institute for Experimental Physics at the University of Göttingen. While there he worked on quantum physics with Max Born, who was Director of the Institute of Theoretical Physics. His work included the Franck–Hertz experiment, an important confirmation of the Bohr model of the atom. He promoted the careers of women in physics, notably Lise Meitner, Hertha Sponer and Hilde Levi. After the Nazi Party came to power in Germany in 1933, Franck resigned his post in protest against the dismissal of fellow academics. He assisted Frederick Lindemann in helping dismissed Jewish scientists find work overseas, before he left Germany in November 1933. After a year at the Niels Bohr Institute in Denmark, he moved to the United States, where he worked at Johns Hopkins University in Baltimore and then the University of Chicago. During this period he became interested in photosynthesis. Franck participated in the Manhattan Project during World War II as Director of the Chemistry Division of the Metallurgical Laboratory. He was also the chairman of the Committee on Political and Social Problems regarding the atomic bomb, which is best known for the compilation of the Franck Report, which recommended that the atomic bombs not be used on the Japanese cities without warning.

Ерте өмір

Джеймс Франк 1882 жылғы 26 тамызда Гамбург қаласында еврей отбасында дүниеге келді. Ол банкир Якоб Франк пен оның әйелі Ребекка Нахум Друкердің екінші баласы және тұңғыш ұлы. Оның үлкен әпкесі Паула және інісі Роберт Бернард болған. Әкесі дінге берілген адам, ал анасы раввиндер отбасынан шыққан. Франк Гамбургте бастауыш мектепте оқыды. 1891 жылдан бастап Вильгельм гимназиясына оқуға түсті, ол кезде ол тек ұлдарға арналған мектеп еді. Ол кезде Гамбургте университет болмағандықтан, болашақ студенттер Германияның басқа аймақтарындағы 22 университеттің бірінде оқуға міндетті болды. Заң және экономиканы оқығысы келген Франк 1901 жылы Хайдельберг университетіне түсті, себебі оның заң факультеті әйгілі болған. Ол заң бойынша лекцияларға қатысты, бірақ ғылымға көбірек қызығушылық танытты. Сол жерде ол өмір бойына дос болатын Макс Борнмен танысты. Борнның көмегімен ол ата-анасын физика мен химияны оқуға көндірді. Франк Лео Кенигсбергер мен Георг Кантордың математика лекцияларын тыңдады, бірақ Гейдельберг физикалық ғылымдар саласында мықты емес еді, сондықтан ол Берлиндегі Фридрих Вильгельм университетіне оқуға шешім қабылдады. Берлинде Франк Макс Планк пен Эмиль Варбургтың лекцияларына қатысты. 1904 жылғы 28 шілдеде ол Шпрее өзенінде екі баланы судан құтқарды. Философия докторы (Dr. Phil.) атағын алу үшін Варбург оған корона разрядындағы құбылыстарды зерттеуді ұсынды. Франк бұл тақырыпты тым күрделі деп тапты, сондықтан диссертациясының тақырыбын өзгертті. "Шпицтік разрядтың иондарының жылдамдығы туралы" ("Über die Beweglichkeit der Ladungsträger der Spitzenentladung") деп аталатын диссертациясы кейіннен "Annalen der Physik" журналында жарияланды. Диссертациясын аяқтағаннан кейін Франкке міндетті әскери қызметке баруға тура келді. Ол 1906 жылғы 1 қазанда шақырылып, 1-телеграф батальонына қосылды. Желтоқсан айында атқа міну кезінде жеңіл жарақат алды және қызметке жарамсыз деп танылды. 1907 жылы Франкфурттағы Физикалық қоғамда ассистент болып жұмыс істеді, бірақ оған ұнаған жоқ, сондықтан Фридрих Вильгельм университетіне оралды. Бір концертте Франк швед пианисі Ингрид Йозефсонмен танысты. Олар 1907 жылғы 23 желтоқсанда Гётеборг қаласында шведтік рәсім бойынша үйленді. Олардың екі қызы болды: 1909 жылы туған Дагмар (Дагги) және 1912 жылы туған Элизабет (Лиза). Германияда академиялық мансапқа қол жеткізу үшін докторлық дәрежесі ғана жеткіліксіз еді, сонымен қатар venia legendi, яки habilitation қажет болды. Бұл тағы бір маңызды диссертация жазу арқылы немесе көптеген жарияланған еңбектерді ұсыну арқылы қол жеткізілуі мүмкін еді. Франк соңғы жолды таңдады. Ол кезде физикада көптеген шешілмеген мәселелер болды, және 1914 жылға қарай ол 34 мақала жариялады. Олардың кейбіреулерінің жалғыз авторы болды, бірақ көбінесе Ева фон Бахр, Лиза Мейтнер, Роберт Поль, Петер Прингсхайм, Роберт Вуд, Артур Веннельт немесе Вильгельм Вестфальмен бірлесіп жұмыс істегенді ұнататын. Оның ең жемісті ынтымақтастығы Густав Герцпен болды, олармен бірге 19 мақала жазды. 1911 жылғы 20 мамырда ол habilitation алды.

James Franck was born in Hamburg, Germany, on 26 August 1882, into a Jewish family, the second child and first son of Jacob Franck, a banker, and his wife Rebecca née Nachum Drucker. He had an older sister, Paula, and a younger brother, Robert Bernard. His father was a devout and religious man, while his mother came from a family of rabbis. Franck attended primary school in Hamburg. Starting in 1891 he attended the Wilhelm Gymnasium, which was then a boys only school. Hamburg had no university then, so prospective students had to attend one of the 22 universities elsewhere in Germany. Intending to study law and economics, Franck entered the University of Heidelberg in 1901, as it had a renowned law school. He attended lectures on law, but was far more interested in those on science. While there, he met Max Born, who would become a lifelong friend. With Born's help, he was able to persuade his parents to allow him to switch to studying physics and chemistry. Franck attended mathematics lectures by Leo Königsberger and Georg Cantor, but Heidelberg was not strong on the physical sciences, so he decided to go to the Frederick William University in Berlin. At Berlin, Franck attended lectures by Max Planck and Emil Warburg. On 28 July 1904 he saved a pair of children from drowning in the Spree River. For his Doctor of Philosophy (Dir. Phil.) under Warburg's supervision, Warburg suggested that he study corona discharges. Franck found this topic too complex, so he changed the focus of his thesis. Entitled Über die Beweglichkeit der Ladungsträger der Spitzenentladung ("On the Mobility of Ions"), it would subsequently be published in the Annalen der Physik. With his thesis completed, Franck had to perform his deferred military service. He was called up on 1 October 1906 and joined the 1st Telegraph Battalion. He suffered a minor horse riding accident in December and was discharged as unfit for duty. He took up an assistantship at the Physikalische Verein in Frankfurt in 1907, but did not enjoy it, and soon returned to Frederick William University. At a concert Franck met Ingrid Josephson, a Swedish pianist. They were married in a Swedish ceremony in Gothenburg on 23 December 1907. They had two daughters, Dagmar (Daggie), who was born in 1909, and Elisabeth (Lisa), who was born in 1912. To pursue an academic career in Germany, having a doctorate was not enough; one needed a venia legendi, or habilitation. This could be achieved with either another major thesis or by producing a substantial body of published work. Franck chose the latter route. There were many unsolved problems in physics at the time, and by 1914 he had published 34 articles. He was the sole author of some, but generally preferred working in collaboration with Eva von Bahr, Lise Meitner, Robert Pohl, Peter Pringsheim [de], Robert W. Wood, Arthur Wehnelt or Wilhelm Westphal. His most fruitful collaboration was with Gustav Hertz, with whom he wrote 19 articles. He received his habilitation on 20 May 1911.

Франк-Герц эксперименті

1914 жылы Франк флуоресценцияны зерттеу үшін Герцпен бірлесіп эксперимент жүргізді. Олар сынап атомдарының жұқа буы арқылы өтетін энергетикалық электрондарды зерттеу үшін вакуумдық түтік құрастырды. Олар электрон сынап атомымен соқтығысқанда, ұшып кеткенге дейін кинетикалық энергиясының белгілі бір мөлшерін (4,9 электрон вольт) ғана жоғалтатынын анықтады. Жылдам электрон соқтығысқаннан кейін толықтай тоқтап қалмайды, бірақ кинетикалық энергиясының дәл сол мөлшерін жоғалтады. Баяу электрондар сынап атомдарынан кері секіріп, едәуір жылдамдық немесе кинетикалық энергиясын жоғалтпайды. Бұл эксперименттік нәтижелер Альберт Эйнштейннің фотоэлектрлік әсерін және Планк тұрақтысымен (h) энергияны (E) және жиілікті (f) байланыстыратын Планк қатынасын (E = fh) растады. Сонымен қатар, бұл Нильс Бордың өткен жылы ұсынған атом моделін қолдайтын дәлелдерді ұсынды. Модельдің негізгі ерекшелігі – атом ішіндегі электрон атомның «кванттық энергия деңгейлерінің» бірін ғана ала алады. Соқтығысқанға дейін, сынап атомындағы электрон ең төменгі энергия деңгейінде болады. Соқтығысқаннан кейін, ішкі электрон 4,9 электрон вольт (эВ) артық энергиямен жоғарырақ энергия деңгейіне көшеді. Бұл электронның сынап атомына байланысының әлсірегенін білдіреді. Орталық деңгейлер немесе басқа мүмкіндіктер болған жоқ. 1914 жылдың мамыр айында Франк пен Герц екінші мақаласында энергияны сіңіріп алған сынап атомдарынан шығатын жарық сәулесі туралы хабарлады. Олар бұл ультракүлгін сәуленің толқын ұзындығы ұшқан электронның жоғалтқан 4,9 эВ энергиясына дәл сәйкес келетінін көрсетті. Энергия мен толқын ұзындығы арасындағы байланысты Бор да болжаған болатын. Франк пен Герц 1918 жылдың желтоқсан айында аяқтаған соңғы жұмыстарында өз нәтижелері мен Бор теориясы арасындағы қарама-қайшылықтарды келістірді, оны енді мойындады. Нобель лекциясында Франк «Бор теориясының маңыздылығын тани алмағанымызға қатты өкінеміз, тіпті бір рет те есімдерін атамадық» деп мойындады. 1926 жылдың 10 желтоқсанында Франк пен Герцке «электронның атомға тигізетін әсердің заңдарын ашқандары үшін» 1925 жылғы физика бойынша Нобель сыйлығы табысталды. Ол Отто Ханмен бірге шабуылдарға арналған орындарды анықтауға жауапты болды. 1915 жылдың 30 наурызында екінші дәрежелі Темір крестімен марапатталды, ал 1916 жылдың 11 қаңтарында Гамбург қаласы оған Ганза крестін табыстады. Франк зертхананы жеке қаражаты есебінен ең жаңа жабдықтармен жаңартты. Бор және Франк басшылығымен Геттинген 1920-1933 жылдар аралығында физиканың әлемдегі маңызды орталықтарының біріне айналды. Бұл принцип содан бері көптеген ұқсас құбылыстарға қолданылып келеді. Осы кезеңдегі еңбегі үшін Франк 1929 жылы Америка өнер және ғылым академиясының мүшесі болып сайланды.

In 1914, Franck teamed up with Hertz to perform an experiment to investigate fluorescence. They designed a vacuum tube for studying energetic electrons that flew through a thin vapour of mercury atoms. They discovered that when an electron collided with a mercury atom it could lose only a specific quantity (4.9 electron volts) of its kinetic energy before flying away. A faster electron does not decelerate completely after a collision, but loses precisely the same amount of its kinetic energy. Slower electrons just bounce off mercury atoms without losing any significant speed or kinetic energy. These experimental results provided confirmation of Albert Einstein's photoelectric effect and Planck's relation (E = fh) linking energy (E) and frequency (f) arising from quantisation of energy with Planck's constant (h). But they also provided evidence supporting the model of the atom that had been proposed the previous year by Niels Bohr. Its key feature was that an electron inside an atom occupies one of the atom's "quantum energy levels". Before a collision, an electron inside the mercury atom occupies its lowest available energy level. After the collision, the electron inside occupies a higher energy level with 4.9 electron volts (eV) more energy. This means that the electron is more loosely bound to the mercury atom. There were no intermediate levels or possibilities. In a second paper presented in May 1914, Franck and Hertz reported on the light emission by the mercury atoms that had absorbed energy from collisions. They showed that the wavelength of this ultraviolet light corresponded exactly to the 4.9 eV of energy that the flying electron had lost. The relationship of energy and wavelength had also been predicted by Bohr. Franck and Hertz completed their last paper together in December 1918. In it, they reconciled the discrepancies between their results and Bohr's theory, which they now acknowledged. In his Nobel lecture, Franck admitted that it was "completely incomprehensible that we had failed to recognise the fundamental significance of Bohr's theory, so much so, that we never even mentioned it once". On 10 December 1926, Franck and Hertz were awarded the 1925 Nobel Prize in Physics "for their discovery of the laws governing the impact of an electron upon an atom.". With Otto Hahn he was responsible for locating sites for the attacks. He was awarded the Iron Cross, Second Class, on 30 March 1915, and the city of Hamburg awarded him the Hanseatic Cross on 11 January 1916. Franck refurbished the laboratory with the latest equipment using funds from his own pocket. Under Born and Franck, Göttingen was one of the world's great centres for physics between 1920 and 1933. The principle has since been applied to a wide variety of related phenomena. For his work during this time period, Franck was elected to the American Academy of Arts and Sciences in 1929.

Жер аудару

Бұл кезең 1933 жылғы 2 наурыздағы сайлауда нацистік партияның Германияда билікке ие болған кезде аяқталды. Келесі айда ол «Кәсіби мемлекеттік қызметті қайта жаңғырту туралы» заңды қабылдады, онда барлық еврей мемлекеттік қызметкерлер мен үкіметке қарсы саяси оппозиция өкілдері зейнеткерлікке шығарылуға немесе жұмыстан босатылуға тиіс болды. Франк Бірінші дүниежүзілік соғыстың қатысушысы болғандықтан, одан босатылды, бірақ ол 1933 жылғы 17 сәуірде өз еркімен отставкаға кетті. Бірде ол ғылымды өзінің құдайы, ал табиғатты діні деп айтқан. Ол қыздарын мектептегі діни сабақтарға қатысуға міндеттемеді, тіпті Рождествода әсемдеп безендірілген шыршы қоюға рұқсат берді, бірақ бәрібір еврей тегімен мақтан тұтты. Франк Артур фон Гиппельге Копенгагендегі Политехникалық институтта жұмыс тауып берді, ол енді оның қызы Дагмарға үйленген күйеу баласы еді. Ол балаларына қаржылық жағдай жасау үшін Нобель сыйлығының ақшасын олардың арасында бөліп берді. Алтын медаль Нильс Борға сақтауға тапсырылды. 1940 жылғы 9 сәуірде Германия Данияға басып кірген кезде, венгр химигі Джордж де Хевеси, немістердің оларды алуына жол бермеу үшін Макс фон Лауэ медалін де аква-регияда ерітті. Ол нәтижесінде алынған ерітіндіні Нильс Бор институтындағы зертханасындағы сөреге қойды. Соғыстан кейін ол ерітіндіні өзгермеген күйде тауып, қышқылдан алтынды бөліп алды. Содан кейін Нобель қоғамы Нобель сыйлығының медальдарын қайта құйды. 1935 жылы Франк АҚШ-қа көшті, онда ол Джонс Хопкинс университетінде профессорлық қызметке қабылданды. Ол жердегі зертхана Геттингендегідей жақсы жабдықталмаған, бірақ ол Рокфеллер қорынан жабдықтарға 10 000 доллар алды. Бірақ ең қиын мәселе университетте білікті қызметкерлерді жұмысқа алуға қаражат болмауы еді. Франк Германияда қалған отбасы мүшелері үшін алаңдады және олардың эмиграциясына көмектесу үшін ақша қажет болды. Сондықтан 1938 жылы ол Чикаго университетінің фотосинтез жөніндегі жұмысына қызығушылық танытқан ұсынысын қабылдады. Франктің ондағы алғашқы мақаласы, Эдвард Теллермен бірлесіп жазылған, кристалдардағы фотохимиялық процестер туралы болды. Ханс Гафрон оның серіктесі болды. Оларға Германияның басып кіруінен кейін Бельгиядан қашқан Прингсхайм қосылды. Франк Прингсхаймге өз зертханасында жұмыс орнын ұйымдастырды. Оның екі қызы да отбасыларымен бірге АҚШ-қа көшті, сондай-ақ ол қарт анасы мен әпкесін де алып келе алды. 1941 жылғы 21 шілдеде ол АҚШ азаматтығына қол жеткізді. Дегенмен, Уақытша комитет басқаша шешім қабылдады.

This period came to an end when the Nazi Party won power in Germany in an election on 2 March 1933. The following month it enacted the Law for the Restoration of the Professional Civil Service, which provided for the retirement or dismissal of all Jewish civil servants, along with political opponents of the government. As a veteran of the First World War, Franck was exempt, but he submitted his resignation anyway on 17 April 1933. He once commented that science was his God and nature was his religion. He did not require his daughters to attend religious instruction classes at school, and even let them have a decorated tree at Christmas; but he was proud of his Jewish heritage all the same. Franck found a position at the Polytekniske Læreanstalt in Copenhagen for Arthur von Hippel, who was now his son in law, having married his daughter Dagmar. He decided to provide financial security for his children by dividing his Nobel Prize money between them. The gold medal itself was entrusted to Niels Bohr for safekeeping. When Germany invaded Denmark on 9 April 1940, the Hungarian chemist George de Hevesy dissolved the gold medal, along with that of Max von Laue in aqua regia to prevent the Germans from taking them. He placed the resulting solution on a shelf in his laboratory at the Niels Bohr Institute. After the war, he returned to find the solution undisturbed and precipitated the gold out of the acid. The Nobel Society then recast the Nobel Prize medals. In 1935, Franck moved to the United States, where he had accepted a professorship at Johns Hopkins University. The laboratory there was poorly equipped compared to the one in Göttingen, but he received $10,000 for equipment from the Rockefeller Foundation. A more intractable problem was that the university had no money to hire skilled staff. Franck was concerned about his family members remaining in Germany, and needed money to help them emigrate. He therefore accepted an offer from the University of Chicago, where his work on photosynthesis had attracted interest, in 1938. Franck's first paper there, co authored with Edward Teller, was on photochemical processes in crystals. Hans Gaffron became his collaborator. They were joined by Pringsheim, who escaped from Belgium after the German invasion. Franck arranged a position for Pringsheim at his laboratory. Both his daughters and their families moved to the United States, and he was also able to bring out his elderly mother and aunt. He became a naturalised United States citizen on 21 July 1941, In any event, the Interim Committee decided otherwise.

Кейінгі өмірі

Франк 1946 жылғы 29 маусымда Герта Спонерге азаматтық неке қиды. Оның бірінші әйелі Ингрид 1942 жылы қайтыс болған еді. Соғыстан кейінгі зерттеулерінде ол фотосинтез механизмін түсіндіру мәселесін шешуді жалғастырды. Мейтнер оның ерте және кейінгі жұмыстары арасында үзіліс байқамады. Ол былай деп еске алды:

Нобель сыйлығынан басқа, Франк 1951 жылы Германия физикалық қоғамының Макс Планк медалін және 1955 жылы фотосинтез жөніндегі еңбектері үшін Америка өнер және ғылым академиясының Рамфорд медалін алды. 1953 жылы Геттингеннің құрметті азаматы атанды, 1944 жылы АҚШ Ұлттық ғылым академиясының мүшесі болып сайланды және 1964 жылы Корольдік қоғамның шетелдік мүшесі (ForMemRS) болып сайланды. Ол сондай-ақ Америка философиялық қоғамының халықаралық мүшесі болды. 1964 жылғы 21 мамырда Геттингенге сапармен барғанда жүрек талмасынан кенеттен қайтыс болды және бірінші әйелімен бірге Чикаго қаласына жерленді. 1967 жылы Чикаго университеті оның құрметіне Джеймс Франк институтын атады. Ай бетіндегі бір кратерге де оның есімі берілді. Оның қолжазбалары Чикаго университетінің кітапханасында сақтаулы.