Джеймс Франк ( немецкое произношение: [ˈdʒɛɪ̯ms ˈfʁaŋk] ; 26 августа 1882 — 21 мая 1964) —немецкий физик, получивший в 1925 годуНобелевскую премию по физикевместе сГуставом Герцем«за открытие законов, управляющих воздействием электрона на атом».[1]Он получилдокторскую степеньв 1906 году ихабилитациюв 1911 году вУниверситете Фредерика Уильямав 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 серьезно ранен в 1917 году в результате газовой атаки и был награжденЖелезным крестом1-й степени.
Франк стал главой физического отдела физической химии Общества кайзера Вильгельма . В 1920 году Франк стал ординарным профессором экспериментальной физики и директором Второго института экспериментальной физики Геттингенского университета . 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, особенно Лизы Мейтнер , Герты Спонер и Хильды Леви .
После того, как нацистская партия пришла к власти в Германии в 1933 году, Франк подал в отставку со своего поста в знак протеста против увольнения коллег-ученых. Он помогал Фредерику Линдеманну помочь уволенным еврейским ученым найти работу за границей, прежде чем он покинул Германию в ноябре 1933 года. После года работы в Институте Нильса Бора в Дании он переехал в Соединенные Штаты, где работал в Университете Джона Хопкинса в Балтиморе , а затем в Чикагский университет . 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, касающимся атомной бомбы, который наиболее известен составлением Доклада Франка , в котором рекомендовалось не применять атомные бомбы по японским городам без предупреждения.
Джеймс Франк родился в Гамбурге , Германия, 26 августа 1882 года в еврейской семье, был 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 Гамбурге тогда не было университета, поэтому будущим студентам приходилось посещать один из 22 университетов Германии. Намереваясь изучать право и экономику, Франк в 1901 году поступил в Гейдельбергский университет , так как там была известная юридическая школа. [4] Он посещал лекции по праву, но гораздо больше его интересовали лекции по науке. Там он встретил Макса Борна , который стал другом на всю жизнь. С помощью Борна он смог уговорить родителей разрешить ему перейти к изучению физики и химии. [5] Франк посещал лекции по математике Лео Кенигсбергера и Георга Кантора , но Гейдельберг не был силен в физических науках, поэтому он решил поступить в Университет Фредерика Вильгельма в Берлине. [4]
В Берлине Франк посещал лекции Макса Планка и Эмиля Варбурга . [6] 28 июля 1904 года он спас пару детей от утопления в реке Шпрее . [6] Для своего доктора философии (реж. Фил.) под руководством Варбурга, [7] Варбург предложил ему изучить коронные разряды . Франк счел эту тему слишком сложной, поэтому изменил фокус своей диссертации . [8] Названный Über die Beweglichkeit der Ladungsträger der Spitzenentladung («О подвижности ионов »), [9] он впоследствии будет опубликован в Annalen der Physik . [10]
После завершения диссертации Франку пришлось пройти отложенную военную службу. Он был призван 1 октября 1906 года и вступил в 1-й телеграфный батальон. В декабре он попал в небольшую аварию, связанную с верховой ездой, и был уволен по причине непригодности к службе. В 1907 году он начал работать ассистентом в Physikalische Verein во Франкфурте , но не получил от этого удовольствия и вскоре вернулся в Университет Фредерика Уильяма. [11] На концерте Франк встретил Ингрид Джозефсон, шведскую пианистку. Они поженились на шведской церемонии в Гетеборге 23 декабря 1907 года . У них было две дочери: Дагмар (Дэгги), родившаяся в 1909 году, и Элизабет (Лиза), родившаяся в 1912 году.
Чтобы продолжить академическую карьеру в Германии, иметь докторскую степень было недостаточно; требовалась Venia Legendi , или хабилитация. Этого можно 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 обычно предпочитал работать в сотрудничестве с Евой фон Бар , Лизой Мейтнер , Робертом Полем , Питером Прингсхаймом , Робертом В. Вудом , Артуром Венельтом или Вильгельмом Вестфалем . Его наиболее плодотворное сотрудничество было с Густавом Герцем , с которым он написал 19 статей. Он получил хабилитацию 20 мая 1911 года .
В 1914 году Франк объединился с Герцем, чтобы провести эксперимент по исследованию флуоресценции . Они сконструировали вакуумную трубку для изучения энергичных электронов , пролетающих сквозь тонкие пары атомов ртути . Они обнаружили, что когда электрон сталкивается с атомом ртути, он может потерять только определенное количество (4,9 электрон-вольта ) своей кинетической энергии, прежде чем улететь. Более быстрый электрон после столкновения не тормозится полностью, а теряет ровно столько же 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 в результате квантования энергии, с постоянной Планка (h). Но они также представили доказательства, подтверждающие модель атома , предложенную в прошлом году Нильсом Бором . Его ключевой особенностью было то, что электрон внутри атома занимает один из «квантовых энергетических уровней» атома. Перед столкновением электрон внутри атома ртути занимает самый низкий доступный энергетический уровень. После столкновения электрон внутри занимает более высокий энергетический уровень с энергией на 4,9 электрон-вольта (эВ). 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 об излучении света атомами ртути, поглотившими энергию от столкновений. Они показали, что длина волны этого ультрафиолетового света точно соответствует 4,9 эВ энергии, которую потерял летящий электрон. Взаимосвязь энергии и длины волны была также предсказана Бором. [14] [17] Франк и Герц вместе завершили свою последнюю работу в декабре 1918 года. В ней они примирили несоответствия 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 признать 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 воздействием электрона на атом». [1]
Франк поступил на службу в немецкую армию вскоре после начала Первой мировой войны в августе 1914 года. В декабре его отправили на Пикардийский участок Западного фронта . В 1915 году он стал заместителем офицера ( offizierstellvertreter ), а затем лейтенантом ( leutnant ). [21] В начале 1915 года его перевели в новое подразделение Фрица Хабера , которое должно было использовать облака газообразного хлора в качестве оружия. [22] Вместе с Отто Ханом он отвечал за определение мест для атак. Он был награжден Железным крестом второй степени 30 марта 1915 года, [23] а город Гамбург наградил его Ганзейским крестом 11 января 1916 года. [23] Находясь в больнице с плевритом , он стал соавтором еще одной научной статьи. с Герцем, и 19 сентября 1916 года он был назначен доцентом Университета Фредерика Уильяма в его отсутствие. Отправленный на русский фронт , он заболел дизентерией . Он вернулся в Берлин, где присоединился к Герцу, Вестфалю, Гансу Гейгеру , Отто Хану и другим в Институте физической химии и электрохимии кайзера Вильгельма Хабера , 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]
После окончания войны Институт кайзера Вильгельма Хабера вернулся к исследованиям, и Хабер предложил Франку работу. Его новая должность предусматривала более высокую зарплату, но не была постоянной. Однако это позволило Франку продолжать свои исследования так, как он хотел. Работая с новыми, более молодыми сотрудниками, такими как Вальтер Гротриан , Пауль Книппинг, Теа Крюгер, Фриц Райхе и Герта Спонер , его первые работы в Институте кайзера Вильгельма исследовали атомные электроны в их возбужденном состоянии. Результаты, которые позже окажутся важными для развития теории лазер . [24] Они ввели термин « метастабильный » для атомов, проводящих продолжительное время в состоянии, отличном от состояния с наименьшей энергией . [25] Когда Нильс Бор посетил Берлин в 1920 году, Мейтнер и Франк организовали его приезд в Институт кайзера Вильгельма, чтобы поговорить с молодыми сотрудниками без присутствия бонзенов ( «больших шишек»). [26]
В 1920 году Геттингенский университет предложил Максу Борну кафедру теоретической физики, которую недавно освободил Питер Дебай . Геттинген был важным центром математики, благодаря Давиду Гильберту , Феликсу Кляйну , Герману Минковскому и Карлу Рунге , но не столько физике. Это изменится. В качестве платы за приезд в Геттинген Борн хотел, чтобы Франк возглавил там экспериментальную физику. 15 ноября 1920 года Франк стал профессором экспериментальной физики и директором Второго института экспериментальной физики, ординарным профессором . Ему разрешили двух помощников, поэтому он привез с собой из Берлина Герту Спонер , чтобы занять одну из должностей. Поль, талантливый преподаватель, возглавлял Первый институт и вел лекции. [27] [28] Франк отремонтировал лабораторию новейшим оборудованием, используя средства из собственного кармана. [29]
При Борне и Франке Геттинген был одним из величайших 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. За доступ в лабораторию Франка требовалась высокая конкуренция. Среди его докторантов были Ганс Копферманн , Артур Р. фон Хиппель , Вильгельм Ханле , Фриц Хоутерманс , Генрих Кун , Вернер Кребель , Вальтер Лохте-Хольтгревен и Хайнц Майер-Лейбниц . [30] Руководя докторантами, Франк должен был следить за тем, чтобы темы диссертаций были четко определены, и учить кандидата тому, как проводить оригинальные исследования, оставаясь при этом в пределах способностей кандидата, лабораторного оборудования и бюджета института. [31] Под его руководством проводились исследования строения атомов и молекул. [32]
В своих собственных исследованиях Франк разработал то, что стало известно как принцип Франка-Кондона — правило в спектроскопии и квантовой химии , объясняющее интенсивность вибронных переходов — одновременных изменений электронных и колебательных энергетических уровней молекулы вследствие поглощения или испускания фотон соответствующей энергии . Принцип гласит, что во время электронного перехода переход с одного колебательного уровня энергии на другой более вероятен, если две колебательные волновые функции перекрываются более значительно. [33] [34] С тех пор этот принцип был применен к широкому кругу связанных явлений. [35]
За свою работу в этот период Франк был избран членом Американской академии искусств и наук в 1929 году .
Этот период подошел к концу, когда нацистская партия пришла к власти в Германии на выборах 2 марта 1933 года. В следующем месяце она приняла Закон о восстановлении профессиональной государственной службы , который предусматривал выход на пенсию или увольнение всех еврейских государственных служащих. вместе с политическими противниками правительства. Будучи ветераном Первой мировой войны, Франк был освобожден от уплаты налога, но все равно подал в отставку 17 апреля 1933 года. [37] Однажды он заметил, что наука была его Богом, а природа — его религией. Он не требовал от своих дочерей посещать уроки религиозного обучения в школе [38] и даже позволял им украшать елку на Рождество; [39] но он все равно гордился своим еврейским наследием. [38] Он был первым ученым, ушедшим в отставку в знак протеста против закона. [40] Об этом сообщили газеты по всему миру, но ни одно правительство или университет не выразили протеста. [41]
Франк помогал Фредерику Линдеманну помочь уволенным еврейским ученым найти работу за границей, прежде чем он покинул Германию в ноябре 1933 года . он занял должность в Институте Нильса Бора в Копенгагене . [43] Ему нужен был новый сотрудник, поэтому он взял на себя Хильду Леви , чья недавняя диссертация произвела на него впечатление. [44] Его первоначальным намерением было продолжить 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 воду в более органические соединения. Биологические процессы оказались гораздо сложнее простых реакций в атомах и молекулах. Вместе с Леви он стал соавтором двух статей по этой теме, к которым он вернется в последующие годы. [43] [45] [46]
Франк нашел место в Polytekniske Læreanstalt в Копенгагене для Артура фон Хиппеля, который теперь был его зятем, женившись на его дочери Дагмар. Он решил обеспечить финансовую безопасность своих детей, разделив между ними деньги, полученные Нобелевской премией. Сама золотая медаль была передана на хранение Нильсу Бору. [47] Когда Германия вторглась в Данию 9 апреля 1940 года, венгерский химик Джордж де Хевеши растворил золотую медаль вместе с медалью Макса фон Лауэ в царской водке , чтобы немцы не смогли их забрать. Полученный раствор он поместил на полку в своей лаборатории в Институте Нильса Бора. После войны он вернулся, нашел раствор в целости и сохранности и выделил золото из кислоты. Затем Нобелевское общество переделало медали Нобелевской премии. [48] [49]
В 1935 году Франк переехал в США, где стал профессором Университета Джонса Хопкинса. [50] Лаборатория там была плохо оборудована по сравнению с лабораторией в Геттингене, но он получил 10 000 долларов за оборудование от Фонда Рокфеллера . Более трудноразрешимой проблемой было то, что у университета не было денег на наем квалифицированных кадров. Франк был обеспокоен тем, что члены его семьи остались в Германии, и ему нужны были деньги, чтобы помочь им эмигрировать. Поэтому в 1938 году он принял предложение Чикагского университета , где его работы по фотосинтезу вызвали интерес.
Первая статья Франка, написанная в соавторстве с Эдвардом Теллером , была посвящена фотохимическим процессам в кристаллах. [52] Ганс Гаффрон стал его сотрудником. [53] К ним присоединился Прингсхайм, бежавший из Бельгии после немецкого вторжения . Франк устроил Прингсхайму место 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 иностранцем-врагом, когда Соединенные Штаты объявили войну Германии 11 декабря 1941 года. путешествовали и 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 его задачей было построить ядерные реакторы для производства плутония , который будет использоваться в атомных бомбах . [57] Химический отдел Металлургической лаборатории первоначально возглавлял Фрэнк Спеддинг , но он предпочитал практическую работу администрированию. Затем Комптон обратился к Франку, с некоторым трепетом из-за своего немецкого происхождения. [58] Позже Комптон писал:
Как Франк воспринял приглашение присоединиться к нашему проекту! Это был вотум доверия, который намного превзошел его надежды и дал ему шанс внести свой вклад в дело свободы. «Я воюю не с немецким народом», - объяснил он. «Это нацисты. Они держат Германию мертвой хваткой. Немецкий народ беспомощен, пока мы не сможем сломить силу его нацистских хозяев». Химики приветствовали Франка как старшего научного государственного деятеля, руководству которого они были рады следовать. [59]
Помимо руководства химическим отделом, Франк также был председателем комитета Металлургической лаборатории по политическим и социальным проблемам, касающимся атомной бомбы, в который входили он сам и 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 высвобождать атомную энергию, не будучи этически и политически подготовленным к ее разумному использованию». [61] Комитет составил то, что стало известно как Доклад Франка . Законченный 11 июня 1945 года, он рекомендовал не применять атомные бомбы по японским городам без предупреждения. [60] В любом случае Временный комитет решил иначе. [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 своими ранними и поздними работами. Она напомнила, что
Франк любил говорить о своих проблемах не столько для того, чтобы объяснить их другим, сколько для удовлетворения собственного разума. Как только проблема вызывала у него интерес, он был полностью поглощен ею, даже одержим ею. Здравый смысл и прямая логика были его главными инструментами наряду с простым аппаратом. Его исследования шли почти по прямой линии: от ранних исследований подвижности ионов до последней работы по фотосинтезу; Его всегда интересовал обмен энергией между атомами и молекулами. [64]
Помимо Нобелевской премии. Франк был награжден медалью Макса Планка Немецкого физического общества в 1951 г. и медалью Румфорда Американской академии искусств и наук за работы по фотосинтезу в 1955 г. Он стал почетным гражданином Геттингена в 1953 г., [65] был избран член 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 внезапно скончался от сердечного приступа во время посещения Геттингена 21 мая 1964 года [67] и был похоронен в Чикаго вместе со своей первой женой. [69]
В 1967 году Чикагский университет назвал в его честь Институт Джеймса Франка . [70] В его честь также был назван лунный кратер . [71] Его статьи находятся в библиотеке Чикагского университета. [23]
