Джеймс Франк: Жизнь и научный путь немецкого физика.

Введение

Немецкий физик (1882–1964)

Джеймс Франк (26 августа 1882 – 21 мая 1964) был немецким физиком, удостоенным Нобелевской премии по физике 1925 года совместно с Густавом Герцем «за открытие законов, управляющих столкновением электрона с атомом». Он получил докторскую степень в 1906 году и степень абилитированного доктора в 1911 году в Берлинском университете Фридриха Вильгельма, где преподавал и читал лекции до 1918 года, достигнув должности профессора экстраординариуса. Во время Первой мировой войны он служил добровольцем в немецкой армии. В 1917 году он получил серьезное ранение в результате химической атаки и был награжден Железным крестом 1-го класса. Франк стал руководителем физического отделения Общества физической химии имени Кайзера Вильгельма. В 1920 году Франк стал ординарным профессором экспериментальной физики и директором Второго института экспериментальной физики в Геттингенском университете. Там он работал над квантовой физикой вместе с Максом Борном, директором Института теоретической физики. Его работы включали эксперимент Франка — Герца, важное подтверждение модели атома Бора. Он поддерживал карьеру женщин в физике, в частности, Лизе Мейтнер, Герты Спонер и Хильде Леви. После прихода к власти нацистской партии в Германии в 1933 году Франк подал в отставку в знак протеста против увольнения коллег-ученых. Он помогал Фредерику Линденманну в поиске работы за границей для уволенных еврейских ученых, прежде чем покинул Германию в ноябре 1933 года. После года, проведенного в Институте Нильса Бора в Дании, он переехал в Соединенные Штаты, где работал в Университете Джона Хопкинса в Балтиморе, а затем в Чикагском университете. В этот период он заинтересовался фотосинтезом. Франк участвовал в Манхэттенском проекте во время Второй мировой войны в качестве директора химического отдела Металлургической лаборатории. Он также был председателем Комитета по политическим и социальным проблемам, связанным с атомной бомбой, наиболее известного составлением «Отчета Франка», в котором рекомендовалось не использовать атомные бомбы на японских городах без предварительного предупреждения.

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.

Ранние годы

Джеймс Франк родился в Гамбурге, Германия, 26 августа 1882 года в еврейской семье, вторым ребенком и первым сыном Якоба Франка, банкира, и его жены Ребекки, урожденной Нахум-Дрюкер. У него была старшая сестра Пола и младший брат Роберт Бернард. Его отец был глубоко верующим и религиозным человеком, а мать происходила из семьи раввинов. Франк посещал начальную школу в Гамбурге. Начиная с 1891 года он учился в Вильгельмской гимназии, которая в то время была школой только для мальчиков. В Гамбурге тогда не было университета, поэтому будущие студенты должны были поступать в один из 22 университетов в других частях Германии. Собираясь изучать право и экономику, Франк поступил в Гейдельбергский университет в 1901 году, поскольку там была известная юридическая школа. Он посещал лекции по праву, но гораздо больше интересовался наукой. Там он встретил Макса Борна, который стал его другом на всю жизнь. С помощью Борна он смог убедить родителей разрешить ему перейти к изучению физики и химии. Франк посещал лекции по математике Лео Кёнигсбергера и Георга Кантора, но Гейдельберг не был силен в области естественных наук, поэтому он решил поступить в Университет Фридриха Вильгельма в Берлине. В Берлине Франк посещал лекции Макса Планка и Эмиля Варбурга. 28 июля 1904 года он спас двоих детей от утопления в реке Шпрее. Для получения степени доктора философии (Dir. Phil.) под руководством Варбурга, Варбург предложил ему изучить коронные разряды. Франк посчитал эту тему слишком сложной и изменил направление своей диссертации. Озаглавленная «О подвижности носителей заряда в вершинном разряде» («Über die Beweglichkeit der Ladungsträger der Spitzenentladung»), она впоследствии была опубликована в журнале Annalen der Physik. После завершения диссертации Франку пришлось отбыть отсроченную военную службу. Он был призван 1 октября 1906 года и поступил в 1-й телеграфный батальон. В декабре он получил незначительную травму при падении с лошади и был уволен по состоянию здоровья. В 1907 году он получил должность ассистента в Физикальном обществе во Франкфурте, но ему это не понравилось, и он вскоре вернулся в Университет Фридриха Вильгельма. На концерте Франк познакомился с Ингрид Йозефсон, шведской пианисткой. Они поженились в шведской церемонии в Гётеборге 23 декабря 1907 года. У них родились две дочери: Дагмар (Дагги), родившаяся в 1909 году, и Элизабет (Лиза), родившаяся в 1912 году. Для продолжения академической карьеры в Германии одной докторской степени было недостаточно; требовалась venia legendi, или habilitation. Этого можно было достичь либо с помощью еще одной крупной диссертации, либо путем создания значительного объема опубликованных работ. Франк выбрал последний путь. В то время в физике было много нерешенных проблем, и к 1914 году он опубликовал 34 статьи. Некоторые из них были написаны им единолично, но в целом он предпочитал работать в сотрудничестве с Евой фон Бахр, Лизе Майтнер, Робертом Полем, Петером Прингсхаймом, Робертом В. Вудом, Артуром Венцелем или Вильгельмом Вестфалем. Его наиболее плодотворным сотрудничеством было сотрудничество с Густавом Герцем, с которым он написал 19 статей. Он получил свою habilitation 20 мая 1911 года.

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.

Эксперимент Франка Герца

В 1914 году Франк объединился с Герцем для проведения эксперимента по исследованию флуоресценции. Они разработали вакуумную трубку для изучения энергичных электронов, пролетающих через тонкий пар атомов ртути. Они обнаружили, что при столкновении электрона с атомом ртути он может терять только определенное количество (4,9 электронвольта) своей кинетической энергии, прежде чем продолжить движение. Более быстрый электрон не замедляется полностью после столкновения, а теряет ровно такое же количество кинетической энергии. Медленные электроны просто отскакивают от атомов ртути, не теряя значительной скорости или кинетической энергии. Эти экспериментальные результаты подтвердили фотоэлектрический эффект Альберта Эйнштейна и соотношение Планка (E = fh), связывающее энергию (E) и частоту (f), вытекающее из квантования энергии с постоянной Планка (h). Но они также предоставили доказательства в поддержку модели атома, предложенной Нильсом Бором в предыдущем году. Ключевой особенностью этой модели было то, что электрон внутри атома занимает один из "квантовых энергетических уровней" атома. Перед столкновением электрон внутри атома ртути находится на самом низком доступном энергетическом уровне. После столкновения электрон переходит на более высокий энергетический уровень, имея на 4,9 электронвольта (эВ) больше энергии. Это означает, что электрон становится менее прочно связан с атомом ртути. Промежуточных уровней или возможностей не существовало. Во второй статье, представленной в мае 1914 года, Франк и Герц сообщили об излучении света атомами ртути, поглотившими энергию при столкновениях. Они показали, что длина волны этого ультрафиолетового света точно соответствует 4,9 эВ энергии, которую потерял летящий электрон. Соотношение между энергией и длиной волны также было предсказано Бором. Франк и Герц завершили свою последнюю совместную работу в декабре 1918 года. В ней они примирили расхождения между своими результатами и теорией Бора, которую они теперь признали. В своей Нобелевской лекции Франк признал, что "совершенно непонятно, почему мы не смогли осознать фундаментальное значение теории Бора, настолько, что мы даже ни разу не упомянули о ней". 10 декабря 1926 года Франку и Герцу была присуждена Нобелевская премия по физике 1925 года "за открытие законов, управляющих воздействием электрона на атом". Вместе с Отто Ганом он отвечал за определение целей для атак. 30 марта 1915 года он был награжден Железным крестом II класса, а 11 января 1916 года город Гамбург наградил его Ганзейским крестом. Франк обновил лабораторию самым современным оборудованием, используя собственные средства. Под руководством Борна и Франка Геттинген был одним из ведущих мировых центров физики в период с 1920 по 1933 год. Этот принцип впоследствии был применен к широкому спектру связанных явлений. За свою работу в этот период Франк был избран в Американскую академию искусств и наук в 1929 году.

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.

Изгнание

Этот период закончился, когда нацистская партия пришла к власти в Германии на выборах 2 марта 1933 года. В следующем месяце был принят Закон о восстановлении профессиональной государственной службы, предусматривавший отстранение или увольнение всех еврейских государственных служащих, а также политических противников правительства. Как ветеран Первой мировой войны, Франк был освобожден от этого, но все равно подал в отставку 17 апреля 1933 года. Он однажды заметил, что наука – его Бог, а природа – его религия. Он не требовал, чтобы его дочери посещали уроки религии в школе, и даже позволял им наряжать елку на Рождество, но при этом гордился своим еврейским происхождением. Франк нашел должность в Политехническом институте в Копенгагене для Артура фон Хиппеля, который теперь был его зятем, женившись на его дочери Дагмар. Он решил обеспечить финансовую безопасность своим детям, разделив между ними деньги, полученные с Нобелевской премии. Сама золотая медаль была передана Нильсу Бору на хранение. Когда Германия вторглась в Данию 9 апреля 1940 года, венгерский химик Дьёрдь де Хевеши растворил золотую медаль, вместе с медалью Макса фон Лауэ, в царской водке, чтобы предотвратить их захват немцами. Полученный раствор он поместил на полку в своей лаборатории в Институте Нильса Бора. После войны он вернулся и обнаружил раствор нетронутым, из которого затем осадил золото. Нобелевское общество затем отчеканило новые медали. В 1935 году Франк переехал в Соединенные Штаты, где принял предложение занять должность профессора в Университете Джона Хопкинса. Лаборатория там была плохо оснащена по сравнению с лабораторией в Геттингене, но он получил 10 000 долларов на оборудование от Фонда Рокфеллера. Более сложной проблемой было то, что у университета не было средств для найма квалифицированного персонала. Франк беспокоился о судьбе оставшихся в Германии членов его семьи и нуждался в деньгах, чтобы помочь им эмигрировать. Поэтому в 1938 году он принял предложение Чикагского университета, где его работы по фотосинтезу вызвали интерес. Его первая работа там, написанная в соавторстве с Эдвардом Теллером, была посвящена фотохимическим процессам в кристаллах. Его соавтором стал Ганс Гафрон. К ним присоединился Прингсхайм, бежавший из Бельгии после немецкого вторжения. Франк организовал для Прингсхайма место в своей лаборатории. Обе его дочери с семьями переехали в Соединенные Штаты, и ему также удалось вывезти свою пожилую мать и тетю. Он получил гражданство США 21 июля 1941 года. В любом случае, Временный комитет принял другое решение.

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.

Поздние годы

29 июня 1946 года Франк женился на Герте Спонер в гражданской церемонии. Его первая жена, Ингрид, умерла в 1942 году. В своих послевоенных исследованиях он продолжал работать над проблемой объяснения механизма фотосинтеза. Мейтнер не видела разрыва между его ранними и поздними работами. Она вспоминала, что,

в дополнение к Нобелевской премии, Франку была присуждена медаль Макса Планка от Немецкого физического общества в 1951 году и медаль Рамфорда Американской академии искусств и наук за его работы по фотосинтезу в 1955 году. В 1953 году он стал почетным гражданином Геттингена, в 1944 году был избран членом Национальной академии наук США, а в 1964 году – иностранным членом Королевского общества (ForMemRS). Он также был международным членом Американского философского общества. Он внезапно скончался от сердечного приступа во время визита в Геттинген 21 мая 1964 года и был похоронен в Чикаго рядом со своей первой женой. В 1967 году Чикагский университет назвал Институт имени Джеймса Франка в его честь. В его честь также назван лунный кратер. Его архивные материалы хранятся в библиотеке Чикагского университета.