Биография

Немецко-американский физик Джеймс Франк родился в Гамбурге, в семье Якоба Франка, банкира, и Ребекки Франк, в девичестве Дрюкер, которая была родом из известной семьи раввинов. В гамбургской гимназии, где учился Ф., упор делался на классическое образование и языки – предметы, которые его не интересовали. Когда в 1901 г. отец послал его в Гейдельбергский университет, то ожидалось, что Ф. будет изучать юриспруденцию и экономику, после чего займется традиционным для его семьи банковским делом. Однако в Гейдельберге он изучал также геологию и химию, здесь он встретил Макса Борна, который поддержал интерес Ф. к науке и стал его другом на всю жизнь. Позднее Борн убедил родителей Ф. помочь сыну в его стремлении получить научное образование.

Сайт: Электронная библиотека НиТ

В 1902 г. Ф. перешел в Берлинский университет, тогдашний центр физической науки и образования в Германии. Докторскую степень он получил в 1906 г. за исследование движения ионов в газовых разрядах. После краткого периода работы ассистентом-преподавателем в университете Франкфурта-на-Майне Ф. вернулся в Берлинский университет ассистентом физической лаборатории и стал лектором в этом же университете в 1911 г.

Ф. начал совместную работу с Густавом Герцем в 1913 г. В своих первых совместных экспериментах Ф. и Герц исследовали взаимодействие электронов с атомами благородных газов низкой плотности. Они обнаружили, что при низких энергиях электроны соударяются с атомами благородных газов без большой потери энергии, т.е. эти соударения являются упругими. В 1914 г. ученые повторили свои эксперименты, используя пары ртути, и обнаружили, что электроны сильно взаимодействуют с атомами ртути, отдавая им большую долю своей энергии. Именно эта работа по неупругим соударениям привела Ф. и Герца к открытию квантованной передачи энергии в столкновениях атомов и электронов. Между 1900 г. и временем экспериментов Ф. и Герца Макс Планк, Альберт Эйнштейн и Нильс Бор создали квантовую теорию. В этой теории предполагалось, что энергия передается не непрерывно, а дискретными порциями, которые Эйнштейн назвал квантами. Энергия кванта выражается через частоту испускаемой или поглощаемой энергии с помощью множителя, известного как постоянная Планка. В 1913 г. Бор предложил квантовую модель атома, в которой электроны движутся вокруг ядра только по определенным орбитам, соответствующим специальным энергетическим состояниям; когда электроны переходят с одной орбиты на другую, они испускают или поглощают кванты. Модель Бора отвечала на некоторые существовавшие тогда возражения против ядерной модели атома и, в частности, объясняла спектры элементов. При нагревании газа он поглощает энергию в форме тепла, затем испускает ее в виде света; каждый элемент излучает свет специфических цветов, или длин волн, которые можно разделить, получив при этом серию линий, называемых спектром элемента. Согласно Бору, каждая линия спектра соответствует определенному количеству энергии, излучаемой при переходе электрона с более высокой энергетической орбиты на более низкую. Хотя эта теория вызвала среди физиков огромный интерес и во многом убедила их в справедливости квантовой теории, она все же не была подтверждена экспериментально.

В своих знаменитых экспериментах Ф. и Герц показали, что электроны могут передавать энергию атому ртути только целыми кратными 4, 9 электрон-вольт. (Один электрон-вольт – это количество энергии, приобретаемой электроном, который ускоряется с помощью напряжения в один вольт.) Затем они предположили, что атомы ртути могут излучать энергию, равную той, которую они поглощают, давая спектральную линию с вычисляемой длиной волны. Обнаружив эту линию в спектре ртути, Ф. и Герц сделали вывод, что атомы при бомбардировке их электронами и поглощают, и испускают энергию неделимыми единицами, или квантами. Работа с газами других элементов подтвердила это открытие.

Эксперименты Ф. и Герца не только продемонстрировали существование квантов энергии более убедительно, чем любая предшествующая работа, но и дали новый метод измерения постоянной Планка. Более того, их результаты явились экспериментальным подтверждением боровской модели атома. Ни Ф., ни Герц не поняли этого вначале, обратив мало внимания на предположение Бора. Однако Бор и другие вскоре воспользовались результатами Ф. и Герца, чтобы подтвердить идеи Бора, оказавшие глубокое влияние на развитие квантовой теории.

В 1926 г. Шведская королевская академия наук наградила Нобелевской премией по физике за 1925 г. Ф. и Герца «за открытие законов соударений электронов с атомами». В своей Нобелевской лекции Ф. указал, что «первые работы Нильса Бора по теории атома появились за полгода до окончания этой работы». «Впоследствии, – продолжал он, – мне казалось совершенно необъяснимым, почему мы не осознали фундаментального значения теории Бора, причем до такой степени, что ни разу даже не упомянули о ней в своем научном докладе».

Исследования Ф. были прерваны разразившейся в 1914 г. первой мировой войной. Он служил офицером на русско-германском фронте, затем из-за тяжелого заболевания дизентерией был отправлен в тыл для длительного лечения. В 1917 г. Ф. стал главой секции в Институте физической химии кайзера Вильгельма, работая под руководством Фрица Хабера. Там он продолжил свои исследования по неупругим столкновениям электронов с атомами и молекулами. Ф. и его коллеги обнаружили, что электроны могут возбудить атом (заставив его поглотить энергию) таким образом, что он не сможет освободиться от возбуждающей энергии, испуская свет. Такие атомы находятся в «метастабильном состоянии», по терминологии, введенной Ф. и его сотрудниками, и способен потерять энергию возбуждения только при соударении с частицами. Метастабильные состояния играют важную роль в химии и физике: при фотосинтезе, например, они являются решающими при накоплении энергии в растениях. Позднее Ф. обратился к фотосинтезу, который оставался самым важным для него предметом научных исследований последние 30 лет его жизни.

Когда Максу Борну в 1912 г. предложили возглавить кафедру теоретической физики в Геттингенском университете, он согласился при условии, что Ф. возглавит кафедру экспериментальной физики. Следующие 12 лет двое ученых работали в тесном контакте, обсуждая друг с другом каждый аспект своей работы. Когда Борн начал разрабатывать формальный математический аппарат квантовой теории, которую он назвал квантовой механикой, глубокая научная интуиция Ф. оказалась для него бесценной. В Геттингене Ф. вначале изучал взаимодействия атомов с электронами, светом и другими атомами. Его работа по формированию и структуре молекул, где использовались молекулярные спектры, позволила ему определить основные химические свойства по спектроскопическим измерениям. Подход, который он разработал со своим коллегой Эдвардом Кондоном, известен как принцип Франка – Кондона.

Вскоре после того, как Адольф Гитлер стал рейхсканцлером (1933), германское правительство стало удалять евреев с академических постов. Хотя Ф. и был евреем, но его заслуги в период первой мировой войны вначале ограждали его от смещения с поста. Он тем не менее сам подал в отставку, поскольку не хотел выполнять указание об увольнении сотрудников и студентов еврейской национальности. Он заявил о своем несогласии публично, что было актом личного мужества. Перед тем как покинуть Германию, Ф., несмотря на экономическую депрессию, сумел найти работу за границей для каждого члена своей лаборатории.

Проработав год в Исследовательском институте Бора в Копенгагене, Ф. в 1935 г. эмигрировал в Соединенные Штаты, став профессором Университета Джонса Хопкинса. Здесь он стал изучать влияние света на химические вещества и начал работы по разгадке тайн фотосинтеза, фундаментального фотохимического процесса в природе. В 1938 г. он был назначен профессором физической химии и директором новой лаборатории фотосинтеза Чикагского университета. Три года спустя он стал американским гражданином.

После вступления США во вторую мировую войну Ф. руководил химическим отделом металлургической лаборатории Чикагского университета, являвшейся составной частью Манхэттенского проекта по созданию атомной бомбы. Хотя перспектива создания ядерного оружия была ему ненавистна, он опасался, что Германия идет к той же цели. После поражения Германии Ф. возглавил комитет, изучавший социальные и политические последствия применения ядерного оружия. В докладе комитета, сделанном в июне 1945 г. и известном как «доклад Франка», настаивалось на том, чтобы ядерное оружие не применялось в военных целях до тех пор, пока оно не будет продемонстрировано в каком-нибудь необитаемом месте представителям всех наций, в особенности японцам. Доклад также предсказывал опасность гонки ядерных вооружений. Этими рекомендациями пренебрегли, и японские города Хиросима и Нагасаки были разрушены в августе этого же года.

В 1907 г. Ф. женился на Ингрид Йозефсон, у них было две дочери. Ингрид Франк умерла в 1942 г. после продолжительной болезни. В 1946 г. Ф. женился на Герте Спонер, своей бывшей студентке, которая стала профессором физики Дьюкского университета в Дареме (штат Северная Каролина). После второй мировой войны Ф. вернулся к своим исследованиям в Чикагском университете, деля время между Чикаго и семейным домом в Дареме. В 1949 г. он стал почетным профессором в отставке Чикагского университета и продолжал вести активные исследования, особенно по фотосинтезу.

Ф. умер внезапно, когда они с женой в 1964 г. гостили у друзей в Геттингене.

Его коллеги знали Ф. как доброго, мягкого, демократичного человека, и многие из них неоднократно обращались к нему за советом по научным и личным делам. Они вспоминают его публичный протест против нацистов и его попытку предотвратить использование атомной бомбы против гражданского населения как примеры морального мужества.

Кроме Нобелевской премии, Ф. получил медаль Макса Планка Германского физического общества (1951 г.) и медаль Румфорда Американской академии наук и искусств (1955 г.). В 1953 г. он стал почетным гражданином Геттингена. Ф. был членом многих научных организаций, включая американскую Национальную академию наук, Ассоциацию содействия развитию науки, Американское философское общество, Американское химическое общество, Американское ботаническое общество и Лондонское королевское общество.