Джеймс Франк ( немецкое произношение: [ˈdʒɛɪ̯ms ˈfʁaŋk] ; 26 августа 1882 – 21 мая 1964) был немецкимфизиком, который выигралНобелевскую премию по физикевместе сГуставом Герцем«за открытие законов, управляющих ударом электрона о атом».[1]Он получилдокторскую степеньв 1906 году ихабилитациюв 1911 году вУниверситете Фридриха Вильгельмав Берлине, где он читал лекции и преподавал до 1918 года, достигнув должностиэкстраординарного профессора. Он служил добровольцем в немецкой армии во времяПервой мировой войны. Он был тяжело ранен в 1917 году в результате газовой атаки и был награжденЖелезным крестом1-го класса.
Франк стал главой физического отделения Общества кайзера Вильгельма по физической химии. В 1920 году Франк стал ординарным профессором экспериментальной физики и директором Второго института экспериментальной физики в Гёттингенском университете . Там он работал над квантовой физикой с Максом Борном , который был директором Института теоретической физики. Его работа включала эксперимент Франка-Герца , важное подтверждение модели атома Бора . Он способствовал карьере женщин-физиков, в частности Лизы Мейтнер , Герты Шпонер и Хильды Леви .
После прихода к власти в Германии нацистской партии в 1933 году Франк ушел в отставку в знак протеста против увольнения коллег-ученых. Он помогал Фредерику Линдеманну в поиске работы за рубежом уволенным еврейским ученым, прежде чем покинуть Германию в ноябре 1933 года. После года в Институте Нильса Бора в Дании он переехал в Соединенные Штаты, где работал в Университете Джонса 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 отделения Металлургической лаборатории . Он также был председателем Комитета по политическим и социальным проблемам, касающимся атомной бомбы, который наиболее известен составлением Доклада Франка , в котором рекомендовалось не применять атомные бомбы против японских городов без предупреждения.
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 Друкер. [2] У него была старшая сестра Паула и младший брат Роберт Бернард. [3] Его отец был набожным и религиозным человеком, а его мать происходила из семьи раввинов. [2] Франк посещал начальную школу в Гамбурге. С 1891 года он посещал гимназию Вильгельма , которая тогда была школой только для мальчиков. [3]
В то время в Гамбурге не было университета, поэтому будущим студентам приходилось посещать один из 22 университетов в других местах Германии. Намереваясь изучать право и экономику, Франк поступил в Гейдельбергский университет в 1901 году, так как там была известная юридическая школа. [4] Он посещал лекции по праву, но его гораздо больше интересовали лекции по естественным наукам. Там он встретил Макса Борна , который стал его другом на всю жизнь. С помощью Борна он смог убедить родителей разрешить ему переключиться на изучение физики и химии. [5] Франк посещал лекции по математике Лео Кёнигсбергера и Георга Кантора , но Гейдельберг не был силен в физических науках, поэтому он решил поступить в Университет Фридриха Вильгельма в Берлине. [4]
В Берлине Франк посещал лекции Макса Планка и Эмиля Варбурга . [6] 28 июля 1904 года он спас двух детей от утопления в реке Шпрее . [6] Для своей докторской диссертации (Dir. Phil.) под руководством Варбурга [7] Варбург предложил ему изучать коронные разряды . Франк посчитал эту тему слишком сложной, поэтому он изменил фокус своей диссертации . [8] Названная Über die Beweglichkeit der Ladungsträger der Spitzenentladung («О подвижности ионов »), [9] она впоследствии была опубликована в Annalen der Physik . [10]
Закончив диссертацию, Франк должен был пройти отсроченную военную службу. Он был призван 1 октября 1906 года и присоединился к 1-му телеграфному батальону. В декабре он получил небольшой несчастный случай во время верховой езды и был уволен как негодный к службе. В 1907 году он устроился ассистентом в Physikalische Verein во Франкфурте , но не получил от этого удовольствия и вскоре вернулся в Университет Фридриха Вильгельма. [11] На концерте Франк познакомился с Ингрид Йозефсон, шведской пианисткой. Они поженились на шведской церемонии в Гетеборге 23 декабря 1907 года. У них было две дочери, Дагмар (Дагги), которая родилась в 1909 году, и Элизабет (Лиза), которая родилась в 1912 году. [12]
Чтобы продолжить академическую карьеру в Германии, недостаточно иметь докторскую степень; нужно было получить venia legendi или хабилитацию. 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. Он был единственным автором некоторых из них, но в целом предпочитал работать в сотрудничестве с Евой фон Бар , Лизой Мейтнер , Робертом Полем , Петером Прингсхаймом , Робертом В. Вудом , Артуром Венельтом или Вильгельмом Вестфалем . Его самое плодотворное сотрудничество было с Густавом Герцем , с которым он написал 19 статей. Он получил хабилитацию 20 мая 1911 года. [13]
В 1914 году Франк объединился с Герцем, чтобы провести эксперимент по исследованию флуоресценции . Они сконструировали вакуумную трубку для изучения энергичных электронов , которые пролетали через тонкий пар атомов ртути . Они обнаружили, что когда электрон сталкивается с атомом ртути, он может потерять только определенное количество (4,9 электронвольта ) своей кинетической энергии, прежде чем улететь. Более быстрый электрон не замедляется полностью после столкновения, но теряет точно такое же количество своей кинетической энергии. Более медленные электроны просто отскакивают от атомов ртути, не теряя при этом значительной скорости или кинетической энергии. [14] [15]
Эти экспериментальные результаты подтвердили фотоэлектрический эффект Альберта Эйнштейна и соотношение Планка ( E = fh ), связывающее энергию ( E ) и частоту ( f ), возникающие из квантования энергии с постоянной Планка ( h ). Но они также предоставили доказательства, подтверждающие модель атома , предложенную годом ранее Нильсом Бором . Ее ключевой особенностью было то, что электрон внутри атома занимает один из «квантовых энергетических уровней» атома. До столкновения электрон внутри атома ртути занимает свой самый низкий доступный энергетический уровень. После столкновения электрон внутри занимает более высокий энергетический уровень с энергией на 4,9 эВ больше. Это означает, что электрон более слабо связан с атомом ртути. Не было никаких промежуточных уровней или возможностей. [14] [16]
Во второй статье, представленной в мае 1914 года, Франк и Герц сообщили о световом излучении атомов ртути, которые поглотили энергию от столкновений. Они показали, что длина волны этого ультрафиолетового света точно соответствует 4,9 эВ энергии, которую потерял летящий электрон. Связь энергии и длины волны также была предсказана Бором. [14] [17] Франк и Герц завершили свою последнюю совместную статью в декабре 1918 года. В ней они примирили расхождения между своими результатами и теорией Бора, которые они теперь признали. [18] [19] В своей Нобелевской лекции Франк признал, что «совершенно непостижимо, что мы не смогли осознать фундаментальное значение теории Бора, настолько, что мы даже ни разу не упомянули о ней». [20] 10 декабря 1926 года Франк и Герц были удостоены Нобелевской премии по физике 1925 года «за открытие законов, управляющих ударом электрона по атому». [1]
Франк поступил на военную службу в германскую армию вскоре после начала Первой мировой войны в августе 1914 года. В декабре его отправили в сектор Пикардии Западного фронта . Он стал заместителем офицера ( ofizierstellvertreter ), а затем лейтенантом ( leutnant ) в 1915 году. [21] В начале 1915 года его перевели в новое подразделение Фрица Габера , которое должно было использовать облака хлорного газа в качестве оружия. [22] Вместе с Отто Ганом он отвечал за определение мест для атак. Он был награжден Железным крестом второго класса 30 марта 1915 года [23] , а город Гамбург наградил его Ганзейским крестом 11 января 1916 года. [23] Находясь в больнице с плевритом , он написал еще одну научную работу вместе с Герцем, и 19 сентября 1916 года был назначен доцентом в Университете Фридриха Вильгельма в его отсутствие. Отправленный на русский фронт , он заболел дизентерией . Он вернулся в Берлин, где присоединился к Герцу, Вестфалю, Гансу Гейгеру , Отто Гану и другим в Институте физической химии и электрохимии кайзера Вильгельма Габера , работая над разработкой противогазов . [21] Он был награжден Железным крестом первого класса 23 февраля 1918 года. Он был уволен из армии 25 ноября 1918 года, вскоре после окончания войны. [23]
С окончанием войны Институт кайзера Вильгельма Габера вернулся к исследованиям, и Габер предложил Франку работу. Его новая должность приносила большую зарплату, но не была постоянной. Однако она позволила Франку продолжать свои исследования так, как он хотел. Работая с новыми, молодыми сотрудниками, такими как Вальтер Гротриан , Пауль Книппинг, Теа Крюгер, Фриц Райхе и Герта Шпонер , его первые статьи в Институте кайзера Вильгельма были посвящены исследованию атомных электронов в их возбужденном состоянии, результаты которых позже окажутся важными для разработки лазера . [ 24] Они ввели термин « метастабильный » для атомов, которые длительное время находятся в состоянии, отличном от состояния с наименьшей энергией . [25] Когда Нильс Бор посетил Берлин в 1920 году, Мейтнер и Франк организовали для него приезд в Институт кайзера Вильгельма, чтобы поговорить с молодыми сотрудниками без присутствия бонзенов ( «больших шишек»). [26]
В 1920 году Гёттингенский университет предложил Максу Борну свою кафедру теоретической физики, которую незадолго до этого освободил Петер Дебай . Гёттинген был важным центром математики благодаря Давиду Гильберту , Феликсу Клейну , Герману Минковскому и Карлу Рунге , но не так много для физики. Это изменилось. В качестве платы за приезд в Гёттинген Борн хотел, чтобы Франк возглавил там экспериментальную физику. 15 ноября 1920 года Франк стал профессором экспериментальной физики и директором Второго института экспериментальной физики, полноправным профессором-ординариусом . Ему разрешили иметь двух помощников, поэтому он привез с собой из Берлина Герту Шпонер , чтобы занять одну из должностей. Поль, талантливый педагог, возглавил Первый институт и вел лекции. [27] [28] Франк обновил лабораторию новейшим оборудованием, используя средства из собственного кармана. [29]
Под руководством Борна и Франка Гёттинген был одним из крупнейших мировых центров физики в период с 1920 по 1933 год. [28] [29] Хотя они опубликовали только три статьи вместе, Борн и Франк обсуждали каждую из своих статей друг с другом. Поступление в лабораторию Франка стало очень конкурентным. Среди его докторантов были Ганс Копферманн , Артур Р. фон Хиппель , Вильгельм Ханле , Фриц Хоутерманс , Генрих Кун , Вернер Крёбель , Вальтер Лохте-Хольтгревен и Хайнц Майер-Лейбниц . [30] Руководя докторантами, Франк должен был убедиться, что темы диссертаций четко определены, и научить кандидата проводить оригинальные исследования, при этом оставаясь в пределах возможностей кандидата, лабораторного оборудования и бюджета института. [31] Под его руководством проводились исследования структуры атомов и молекул. [32]
В своих собственных исследованиях Франк разработал то, что стало известно как принцип Франка-Кондона , правило в спектроскопии и квантовой химии , которое объясняет интенсивность вибронных переходов , одновременных изменений электронных и колебательных уровней энергии молекулы из-за поглощения или испускания фотона соответствующей энергии. Принцип гласит, что во время электронного перехода изменение с одного колебательного уровня энергии на другой будет происходить с большей вероятностью, если две колебательные волновые функции перекрываются более значительно. [33] [34] С тех пор этот принцип применялся к широкому спектру связанных явлений. [35]
За свою работу в этот период Франк был избран в Американскую академию искусств и наук в 1929 году. [36]
Этот период закончился, когда нацистская партия одержала победу в Германии на выборах 2 марта 1933 года. В следующем месяце она приняла Закон о восстановлении профессиональной гражданской службы , который предусматривал отставку или увольнение всех еврейских государственных служащих, а также политических оппонентов правительства. Как ветеран Первой мировой войны, Франк был освобожден, но он все равно подал в отставку 17 апреля 1933 года. [37] Однажды он заметил, что наука была его Богом, а природа была его религией. Он не требовал от своих дочерей посещать уроки религии в школе, [38] и даже позволял им украшать елку на Рождество; [39] но он все равно гордился своим еврейским происхождением. [38] Он был первым ученым, который ушел в отставку в знак протеста против закона. [40] Газеты по всему миру сообщили об этом, но ни одно правительство или университет не протестовали. [41]
Франк помогал Фредерику Линдеманну найти работу за границей, прежде чем он покинул Германию в ноябре 1933 года. [42] После краткого визита в Соединенные Штаты, где он измерил поглощение света в тяжелой воде с Вудом в Университете Джонса Хопкинса , он занял должность в Институте Нильса Бора в Копенгагене . [43] Ему нужен был новый сотрудник, поэтому он взял Хильду Леви , чья недавняя диссертация произвела на него впечатление. [44] Его первоначальным намерением было продолжить свои исследования флуоресценции паров и жидкостей, но под влиянием Бора они начали интересоваться биологическими аспектами этих реакций, в частности фотосинтезом , процессом, посредством которого растения используют свет для преобразования углекислого газа и воды в более органические соединения. Биологические процессы оказались гораздо сложнее простых реакций в атомах и молекулах. Он был соавтором двух статей с Леви по этой теме, к которым он вернется в последующие годы. [43] [45] [46]
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 Нобелевской премии. Сама золотая медаль была доверена на хранение Нильсу Бору. [47] 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 помешать немцам забрать их. Он поместил полученный раствор на полку в своей лаборатории в Институте Нильса Бора. После войны он вернулся, нашел раствор нетронутым и осадил золото из кислоты. Затем Нобелевское общество перелило медали Нобелевской премии. [48] [49]
В 1935 году Франк переехал в Соединенные Штаты, где он принял должность профессора в Университете Джонса Хопкинса. [50] Лаборатория там была плохо оборудована по сравнению с той, что в Геттингене, но он получил 10 000 долларов на оборудование от Фонда Рокфеллера . Более неразрешимой проблемой было то, что у университета не было денег, чтобы нанять квалифицированный персонал. Франк был обеспокоен тем, что его члены семьи остались в Германии, и нуждался в деньгах, чтобы помочь им эмигрировать. Поэтому он принял предложение от Чикагского университета , где его работа по фотосинтезу привлекла внимание, в 1938 году. [51]
Первая статья Франка там, написанная в соавторстве с Эдвардом Теллером , была посвящена фотохимическим процессам в кристаллах. [52] Его соавтором стал Ганс Гаффрон . [53] К ним присоединился Прингсхайм, сбежавший из Бельгии после немецкого вторжения . Франк устроил Прингсхайма на должность в своей лаборатории. [54] Обе его дочери и их семьи переехали в Соединенные Штаты, и он также смог вывезти свою пожилую мать и тетю. [55] Он стал натурализованным гражданином Соединенных Штатов 21 июля 1941 года, [23] поэтому он не был вражеским иностранцем , когда Соединенные Штаты объявили войну Германии 11 декабря 1941 года. Однако его дочери все еще были таковыми, поэтому им было запрещено путешествовать, и они не могли заботиться о своей матери, когда она заболела и умерла 10 января 1942 года, хотя им разрешили присутствовать на ее похоронах. [56]
В феврале 1942 года Артур Х. Комптон основал Металлургическую лабораторию в Чикагском университете. В рамках Манхэттенского проекта ее миссией было строительство ядерных реакторов для создания плутония , который будет использоваться в атомных бомбах . [57] Химический отдел Металлургической лаборатории изначально возглавлял Фрэнк Спеддинг , но он предпочитал практическую работу администрации. Затем Комптон обратился к Франку, с некоторым беспокойством из-за его немецкого происхождения. [58] Позже Комптон писал:
Как Франк приветствовал приглашение присоединиться к нашему проекту! Это был вотум доверия, который намного превзошел его ожидания, и он дал ему шанс внести свой вклад в дело свободы. «Я борюсь не с немецким народом», — объяснил он. «Я борюсь с нацистами. Они держат Германию мертвой хваткой. Немецкий народ беспомощен, пока мы не сломим силу их нацистских хозяев». Химики приветствовали Франка как старейшего ученого-государственного деятеля, чьему руководству они были рады следовать. [59]
Помимо руководства химическим отделением, Франк также был председателем Комитета по политическим и социальным проблемам металлургической лаборатории, касающимся атомной бомбы, в который входили он сам, Дональд Дж. Хьюз , Дж. Дж. Никсон , Юджин Рабинович , Гленн Т. Сиборг , Дж. К. Стернс и Лео Силард . [60] В 1945 году Франк предупредил Генри А. Уоллеса об их опасениях, что «человечество научилось использовать атомную энергию, не будучи этически и политически готовым использовать ее разумно». [61] Комитет составил то, что стало известно как Отчет Франка . Завершенный 11 июня 1945 года, он рекомендовал не использовать атомные бомбы в японских городах без предупреждения. [60] В любом случае Временный комитет принял иное решение. [62]
Франк женился на Герте Спонер на гражданской церемонии 29 июня 1946 года, [63] его первая жена, Ингрид, умерла в 1942 году. В своих послевоенных исследованиях он продолжал заниматься проблемой объяснения механизма фотосинтеза. Мейтнер не видела разрыва между его ранними и поздними работами. Она вспоминала, что
Франк любил говорить о своих проблемах, не столько для того, чтобы объяснить их другим, сколько для того, чтобы удовлетворить свой собственный ум. Как только проблема вызывала у него интерес, он был полностью очарован, фактически одержим ею. Здравый смысл и прямая логика были его главными инструментами, вместе с простыми приборами. Его исследования следовали почти прямой линии, от его ранних исследований подвижности ионов до его последней работы по фотосинтезу; его всегда завораживал обмен энергией между атомами или молекулами. [64]
В дополнение к Нобелевской премии Франк был награжден медалью Макса Планка Немецкого физического общества в 1951 году и медалью Рамфорда Американской академии искусств и наук за свою работу по фотосинтезу в 1955 году. Он стал почетным гражданином Геттингена в 1953 году, [65] был избран членом Национальной академии наук США в 1944 году, [66] и избран иностранным членом Королевского общества (ForMemRS) в 1964 году . [67] Он также был международным членом Американского философского общества . [68]
Он скоропостижно скончался от сердечного приступа во время визита в Гёттинген 21 мая 1964 года [67] и был похоронен в Чикаго вместе со своей первой женой. [69]
В 1967 году Чикагский университет назвал Институт Джеймса Франка в его честь. [70] В его честь также назван лунный кратер . [71] Его статьи находятся в библиотеке Чикагского университета. [23]
