Франк, Джеймс

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Джеймс Франк
нем. James Franck
Дата рождения 26 августа 1882(1882-08-26)
Место рождения Гамбург, Германская империя
Дата смерти 21 мая 1964(1964-05-21) (81 год)
Место смерти Гёттинген, ФРГ
Страна  Германская империя
 Германское государство
 США
 ФРГ
Род деятельности физик, преподаватель университета, химик
Научная сфера физика
Место работы
Альма-матер Гейдельбергский университет, Берлинский университет имени Гумбольдта
Научный руководитель
Ученики Фридрих Хоутерманс
Награды и премии
Нобелевская премия Нобелевская премия по физике (1925)
Медаль имени Макса Планка (1951)
Премия Румфорда (1955)
Премия имени Дэнни Хайнемана (1961)
Логотип Викисклада Медиафайлы на Викискладе

Джеймс Франк (нем. James Franck; 26 августа 1882, Гамбург — 21 мая 1964, Гёттинген) — немецко-американский физик-теоретик еврейского происхождения, лауреат Нобелевской премии по физике 1925 года.

Джеймс Франк стал известным, благодаря опытам Франка и Герца, доказавшим, что атомы могут поглощать энергию только в определённых дискретных количествах — квантах. Также внёс значительный вклад в работу Манхэттенского проекта, описал последствия ядерной атаки на Японию в докладе Франка. Занимался проблемами объяснения фотосинтеза, испускания фотонов и нейтронов. В Гёттингене создал крупную научную школу, выступал с публикациями по физическим проблемам.

Биография[править | править код]

Ранние годы и образование (1882—1906)[править | править код]

Джеймс Франк родился 26 августа 1882 года в городе Гамбург и являлся вторым ребёнком в еврейской семье. Его отец, Джейкоб Франк (нем. Jacob Franck) был местным банкиром и религиозным человеком, а мать Ребекка Франк (нем. Rebecka Franck) происходила из семьи раввинов[1][2]. Начальное образование Джеймс получил в местной гимназии, а с 1891 года обучался в гимназии Вильгельма[нем.], где он был не очень прилежным учеником этой гимназии[1]. Весной 1896 года Джеймс, играя со старшим братом, сломал руку. Незадолго до этого, в 1895 году, Вильгельм Рентген открыл излучение, которое позволяет просвечивать человеческие кости. Из-за неправильного лечения рука Франка продолжала болеть, поэтому он обратился в Государственную физическую лабораторию в Гамбурге, где местные физики собрали идентичную установку, чтобы повторить опыт Рентгена. На снимке было отчётливо видно, что кость предплечья срослась неправильно, врачам снова пришлось ломать её, чтобы она нормально срослась.

После обучения и сдачи вступительных экзаменов Джеймс в 1901 году поступил в Гейдельбергский университет на экономический и юридический факультеты. Там он пересекался с Максом Борном, который помог переубедить родителей Джеймса перейти на физический и химический факультеты этого университета. Вскоре после конфликта с отцом Франк отправился получать физическое образование в Берлин, а Макс на время вернулся в Бреслау. Джеймс Франк поступил в Берлинский университет, где его основными преподавателями были Эмиль Варбург, Макс Планк и Пауль Друде. 28 июля 1904 года по пути в университет студент спас двух утопающих в реке подростков. В семейном архиве дочери Франка сохранилась почётная грамота, выданная ему начальником полиции Берлина за этот героический поступок. Вскоре, Франк стал членом Немецкого физического общества и вступил в университетский Коллоквиум, где участие принимали студенты старших курсов, преподаватели и приглашённые учёные из разных городов.

В конце обучения в университете студент сдавал экзамен на докторскую степень. Тему докторской диссертации Джеймса, предложил его научный руководитель Эмиль Варбург. Вместе с Петером Прингсхаймом[нем.] он должен был исследовать электрический разряд в газах. Вскоре, в 1905 году Варбурга назначили президентом берлинского Физико-технического института и новым научным руководителем стал Пауль Друде. В марте 1906 года Джеймс подал официальное заявление декану философского факультета принять у него экзамен на степень доктора в области физики с двумя дополнительными предметами: химия и философия. В мае 1906 года Джеймс Франк защитил докторскую диссертацию на тему: «О подвижности носителей ионного заряда» (нем. Über die Beweglichkeit der Ladungsträger der Spitzenentladung) и успешно сдал экзамен, который у него проверяли физики Друде и Планк, философ — Алоиз Риль и химик — профессор Габриэль Франк.

Развитие карьеры (1906—1933)[править | править код]

После учёбы Франк был призван 1 октября 1906 года и вступил в 1-й телеграфный батальон. В декабре с ним произошёл несчастный случай и его отправили в запас по причине непригодности к службе. В декабре 1907 года Франк женился в Гетеборге на шведской пианистке Ингрид Джозефсон, которую встретил на концерте. У Джеймса и Ингрид было двое детей: Дагмар (англ. Dagmar) и Элизабет (англ. Elisabeth). В 1907 году Джеймс принял приглашение стать ассистентом Физического общества в городе Франкфурт-на-Майне. Условия для работы в лаборатории Физического общества Франкфурта оказались не очень, поэтому учёный вернулся в Берлин, где с помощью друга Роберта Поля ему удалось получить место ассистента в Физическом институте Берлинского университета. В институте Франк продолжил исследования электронной структуры разных атомов и молекул, а также элементарных процессов, связанных со столкновениями между атомами. В 1911 году количество опубликованных работ превысило десять, и Франк обратился с просьбой засчитать их в качестве второй докторской диссертации и присвоить ему звание приват-доцента. Просьбу успешно рассмотрели и Джеймс получил диплом 20 мая 1911 года.

С началом Первой мировой войны Джеймс Франк записался добровольцем на фронт. В декабре 1914 года его направили воевать в Пикардию, что на севере Франции. В начале 1915 года Франка перевели в подразделение Фрица Габера, которое использовало химическое оружие в виде газообразного хлора. Там он вместе с Отто Ганом отвечал за определение мест атак на позиции войск Антанты, а также информировал Габера о результатах применения нового оружия. 30 марта 1915 года Франка наградили Железным крестом 2-го класса, а в апреле он получил звание лейтенанта. Осенью 1915 года он тяжело заболел плевритом и вместе с Густавом Герцом в госпитале издал новую статью. 11 января 1916 года Джеймса наградили Ганзейским крестом города Гамбург, а 19 сентября 1916 года ему присвоили звание доцента Университета Фредерика Уильяма, и позже его отправили на Восточный фронт, где он заболел дизентерией. После выздоровления, Франк вернулся в Берлин, где Фриц Габер предложил молодому учёному работу в Институте физической химии и электрохимии. Здесь он вместе с Отто Ганом, Хансом Гейгером, Вильгельмом Вестфалем[англ.] и Густавом Герцом занимался разработкой новых противогазов и средств индивидуальной защиты. В 1918 году Франк возглавил физический факультет в институте Габера и получил Железный крест 1-го класса.

После войны Франк демобилизовался и продолжил работать Институте физической химии и электрохимии на новой должности. Здесь он вместе с Вальтером Гротрианом, Паулем Книппингом, Фрицом Райхе[англ.] и Гертой Спонер начал исследования электронов в возбуждённом состоянии. В результате исследований учёные открыли метастабильное состояние атомов. По просьбе своего друга Макса Борна, в 1920 году, Франк переехал в Гёттинген для работы в Физическом институте. Тут он становится профессором экспериментальной физики и директором Второго института экспериментальной физики Гёттингенского университета, а также за свой счёт укомплектовал лабораторию института. В университете учёный быстро станет известным среди студентов и других преподавателей. В 1921 году Франк ездил в Копенгаген, где доложил Датскому обществу естествоиспытателей об совместных опытах с Герцом по столкновению электронов. Вернувшись в Гёттинген, Джеймс продолжил преподавать и ввести исследовательскую работу. Летом 1922 года в Гёттинген приехал Нильс Бор, где провёл цикл лекций, который позже будет назван «Боровский фестиваль». В 1922 году умер Генрих Рубенс, научный руководитель Франка и ему предложили занять его место в Берлинском университете, но Джеймс отказался оставшись в Гёттингене. В 1929 году Джеймс Франк был избран членом Американской академии искусств и наук.

Эмиграция и жизнь в CША (1933—1945)[править | править код]

После прихода к власти нацистов в 1933 году Франк, в отличие от остальных евреев из-за нового закона «о восстановлении профессиональной государственной службы»[англ.], который предусматривал выход на пенсию или увольнение всех еврейских государственных служащих не был сразу смещён с должности благодаря званию офицера запаса и участия в Первой мировой войне. Однако он сам подал в отставку, публично выступив против указания об увольнении сотрудников и студентов еврейской национальности. Он даже сумел, используя свои связи в научном мире, найти работу за рубежом для каждого сотрудника своей лаборатории, и лишь после этого осенью 1933 году сам покинул Германию. В том же году Джеймс начинает преподавать в Институте Нильса Бора в Копенгагене вместе с помощницей Хильде Леви, но в 1935 году переехал в университет Джона Хопкинса в Балтиморе. Лаборатория там была в плохом состоянии по сравнению c той, что была в Гёттингене, но Франк получил 10 000 долларов гранта от Фонда Рокфеллера. Проблемой было то, что в учебном заведении не хватало денег на зарплату известным и квалифицированным учёным. Поэтому, Джеймс в 1938 году стал профессором физической химии в Чикагском университете. Там его работы по действию фотосинтеза в сложных биологических системах были обобщены в статье Карла Херцфельда, где он утверждал, что «теория по своей собственной природе может содержать лишь частичную истину». 9 апреля 1940 года Германия оккупировала Данию, Джеймс решил обеспечить финансовую безопасность своих детей, разделив между ними деньги от Нобелевской премии. Саму медаль вместе с медалью Макса фон Лауэ растворил в царской водке химик Дьёрдь де Хевеши, чтобы немцы не смогли их конфисковать. После окончания войны де Хевеши выделил из раствора золото и передал его Шведской Королевской академии наук, которая изготовила для Лауэ и Франка новые медали.

21 июля 1941 года Франк стал гражданином Соединённых Штатов. В феврале 1942 года Артур Комптон основал металлургическую лабораторию в Чикагском университете для работ по Манхэттенскому проекту. Химический отдел лаборатории cначала возглавлял Фрэнк Спеддинг, из-за того, что часть химического отдела находилась в Университете штата Айова в Эймсе он не мог постоянно заниматься исследованиями. Поэтому, Артур Комптон поставил руководить отделом Франка. Позже Комптон писал:

Как Франк воспринял приглашение присоединиться к нашему проекту! Это был вотум доверия, который намного превзошёл 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.

Помимо руководства химическим отделом, Франк также был председателем комитета Металлургической лаборатории по политическим и социальным проблемам, в который также входили Дональд Хьюз[англ.], Джеймс Никсон[англ.], Юджин Рабинович, Гленн Сиборг, Дж. Стернс и Лео Силард. В середине 1943 года на учёных собраниях лаборатории велись дискуссии по поводу военного контроля над Манхэттенским проектом. Там Франк выразил свою обеспокоенность отсутствием дальновидности в отношении использования атомного оружия и энергетики. В 1944 году он работал в комитете Джеффриса, который создал доклад для генерала Гровса, военного командующего Манхэттенским проектом. В начале 1945 года Франк обратился к Генри Уоллесу, охарактеризовав свои взгляды и высказался следующим образом:

Они не могут не беспокоиться по поводу того факта, что человечество научилось высвобождать атомную энергию, не будучи этически и политически подготовленным к её разумному использованию.

В июне 1945 году в докладе («Доклад Франка»), адресованном министру обороны Генри Стимсону, было описано, что разрушительная сила ядерного оружия должна быть продемонстрирована перед представителями Организации Объединённых Наций до того, как будет принято решение о её применении на территории Японии. Комитет надеялся, что этой демонстрации будет достаточно, чтобы склонить Японию к капитуляции, что сделает ненужным использование ядерного оружия. В итоге, все требования комитета были проигнорированы и ядерное оружие на территории Японии было применено дважды.

После войны (с 1946)[править | править код]

Франк женился на своей коллеге Герте Спонер 29 июня 1946 года, так как его первая жена Ингрид умерла в 1942 году. В 1951 году Джеймс Франк был награждён медалью Макса Планка Немецкого физического общества и премией Румфорда Американской академии искусств и наук за работы по фотосинтезу в 1955 году. В 1957 году ему присвоили звание почётный доктор Университета Гейдельберг. В 1964 году избран иностранным членом Королевского общества (ForMemRS), а также являлся международным членом Американского философского общества.

Джеймс Франк скончался от сердечного приступа во время посещения Гёттингена 21 мая 1964 года и был похоронен в Чикаго рядом со своей первой женой.

Научная деятельность[править | править код]

Опыты Франка-Герца[править | править код]

Длины волны света, излучаемого разрядом паров ртути и трубкой Франка — Герца, работающей при напряжении 10 В. Трубка Франка — Герца в основном излучает свет с длиной волны около 254 нанометров; разряд излучает свет на многих длинах волн. На основе оригинальной иллюстрации 1914 года.

С 1911 года начинается сотрудничество Джеймса Франка с другим ассистентом Физического института Берлинского университета Густавом Герцем, племянником физика Генриха Герца, доказавшего существование электромагнитных волн. Первая совместная работа двух учёных, доклад «О взаимозависимости между квантовой гипотезой и напряжением ионизации», была продемонстрирована 3 ноября 1911 года на заседании «Немецкого физического общества». Строение атома оставалось для учёных загадкой, выдвигались разные предположения, которые трудно было подтвердить или опровергнуть экспериментально. В 1914 году Франк объединился с Герцем для проведения эксперимента по исследованию флуоресценции, что доказывала правильность квантовой гипотезы. Оба учёных сконструировали трубку для изучения электронов, пролетающих сквозь тонкие пары атомов ртути. Они обнаружили, что когда электрон сталкивается с атомом ртути, он может потерять определённое количество своей кинетической энергии. Более быстрый электрон после столкновения не тормозится полностью, а теряет ровно столько же своей кинетической энергии, а электроны, которые движутся помедленнее, отскакивают от атомов ртути, не теряя при этом значительной скорости или кинетической энергии. Из эксперимента названого именем Франка и Герца «опыт Франка-Герца», следовало, что внутренняя энергия атома не может изменяться непрерывно, а принимает определённые пропорциональные значения. Результатам эксперимента посвящены два доклада, сделанные авторами на заседаниях Немецкого физического общества.

Эти экспериментальные результаты подтвердили теорию фотоэффекта Альберта Эйнштейна и гипотезу Планка, связывающее энергию и частоту, возникающие в результате передачи энергии, с постоянной Планка. Также учёные представили доказательства, подтверждающие модель атома Нильса Бора. В 1915 году Бор опубликовал статью, в которой отмечалось, что измерения Франка и Герца больше согласуются с предположением о квантовых уровнях в рамках его модели атома. В модели Бора столкновение возбуждало электрон внутри атома с его нижнего уровня на первый квантовый уровень. В работах, опубликованных после окончания Первой мировой войны, Франк и Герц приняли точку зрения Бора на интерпретацию своего эксперимента, который был признан одним из экспериментальных столпов квантовой механики. В декабря 1926 года Франк и Герц были удостоены Нобелевской премии по физике «за открытие законов, управляющих воздействием электрона на атом». На своей лекции Франк признал:

Совершенно непостижимо, что мы не смогли признать фундаментальное значение теории Бора, настолько, что мы даже ни разу не упоминали о ней.

Сам Франк подчеркнул важность эксперимента с ультрафиолетовым излучением в эпилоге к снятому в 1960 году фильму Комитета по изучению физических наук (PSSC) об опыте Франка — Герца.

Работа в Гёттингене[править | править код]

В 1920 году Франк вернулся в Гёттинген, где вывел принцип Франка-Кондона. Этот принцип позволил объяснить интенсивность вибронных переходов, то есть одновременных изменений электронных и колебательных энергетических уровней молекулы вследствие поглощения или испускания фотон соответствующей энергии. В местном университете Франк сотрудничал с Максом Борном, опубликовав три совместные статьи. Джеймс после работ по принципу Франка-Кондона серьёзные опыты не проводил, переключившись на координацию руководства работы сотрудников. Работникам была предоставлена большая свобода действий, но раз в неделю Франк обходил все помещения. Учёный участвовал в обучении аспирантов теоретической физике и присутствовал на защите докторской диссертации Роберта Оппенгеймера, посвящённой разделению электронного и ядерного движения. В тот же период Франк обсуждал с учениками Борна результаты докторской диссертации их научного руководителя. Один из учеников, предложил изучать интерференцию волн де Бройля с помощью дифракции свободных электронов. Франк согласился, но указал, что эксперимент Дэвиссона и Джермера в достаточной степени доказывает существование явления, заложив экспериментальную основу корпускулярно-волнового дуализма в квантовой механике. Также Франк и его сотрудники провели фундаментальные исследования столкновений электронов с атомами, столкновений между электронно-возбужденными и невозбуждёнными атомами и молекулами, образования диссоциации молекул и целый ряд новых явлений, которые в настоящее время характеризуются как аспекты молекулярной фотохимии.

В 1928 году Джеймс Франк провёл исследования по атомным и молекулярным сходствам атомов в газовой фазе спектроскопии. В 1931 году совместно с Фрицем Габером провёл опыт, доказывающий, что спектры поглощения галогенидов щелочей в водных растворах были электронами галогенид-ионов, возникающих в результате переноса заряда от аниона к растворителю.

Эмиграция и работа в США[править | править код]

После выезда из Германии Франк в Копенгагене, совместно с Хильдой Леви продолжил исследования флуоресценции паров и жидкостей, но позже они начали исследования, связанные с биологическими аспектами этих реакций, в частности фотосинтезом, процессом, посредством которого растения используют свет для преобразования углекислого газа. Экспериментальные исследования в области фотосинтеза касались главным образом, мгновенного возбуждения и послесвечения хлорофилла и его соединений. Одновременно он сосредоточился на построении общей теории фотосинтеза, согласующейся с экспериментальной информацией. Совместно они опубликуют две статьи по этой теме. В 1935 году Джеймс Франк переехал в США и в Университете Джонса Хопкинса вместе с Эдвардом Теллером была опубликована статья про фотохимические процессы в кристаллах. В 1938 году Франк и Теллер провели передачи электронной энергии в центр фотосинтеза, рассмотрев перенос экситонов в одномерном линейном массиве молекул хлорофилла, и поняли, что этот механизм был слишком медленным для передачи энергии возбуждения. Позже расширение экситонной модели до двух и трёх измерений продемонстрировали, что передача электронной энергии в более высоких частотах происходит достаточно быстро, чтобы вызвать фотосинтез. В 1941 году Франк пытался определить термические реакции, необходимые для фотосинтеза.

Уже после войны Джеймс исследовал первичное окисление хлорофилла в реакционном центре фотосинтеза для переноса атома водорода, без переноса электронов.

Мировоззрение[править | править код]

Отношение к религии[править | править код]

По воспоминаниям Эдварда Теллера, в 1930 году: 

В Копенгагене Ландау много спорил с Джеймсом Франком о религии, считая его религиозные взгляды невероятными пережитками для учёного, и выражался совершенно несдержанно как в присутствии, так и в отсутствие Франка. А Франк лишь всегда смеялся в ответ. Было поэтому очень мило, что, покидая Копенгаген, Ландау специально пошёл попрощаться с Франком.[3]

О вере в Бога Джеймс Франк никогда публично не высказывался, но о своей принадлежности всегда говорил открыто.

Применение атомной бомбы[править | править код]

При обсуждении возможного применения атомного оружия по Японии и в будущих конфликтах Джеймс Франк утверждал, что будет достаточно ограничиться испытанием в безлюдном месте, поскольку этого было бы достаточно, чтобы никто не осмелился напасть на Америку[4].

Награды[править | править код]

Немецкая марка в честь столетия со дня рождения Макса Борна и Джеймса Франка

Память[править | править код]

Библиография[править | править код]

Примечания[править | править код]

Литература[править | править код]

Книги
Статьи
  • H. Kuhn. James Franck. 1882–1964 // Biographical Memoirs of Fellows of the Royal Society. — 1965. — Т. 11. — С. 53—74.
  • J. Franck. Über die Beweglichkeit der Ladungsträger der Spitzenentladung // Verh. Phys. Ges. — 1906. — Т. 8. — С. 252—263.

Ссылки[править | править код]