James Franck
German physicist (1882–1964)

James Franck
Franck en 1925
Nacido(1882-08-26)26 de agosto de 1882
Hamburgo , Imperio alemán
Fallecido21 de mayo de 1964 (1964-05-21)(81 años)
Göttingen , Alemania Occidental
NacionalidadAlemán
Ciudadanía
Alma máter
Conocido por
Premios
Carrera científica
CamposFísica
Instituciones
TesisÜber die Beweglichkeit der Ladungsträger der Spitzenentladung  (1906)
Asesor de doctorado
Estudiantes de doctorado

James Franck ( pronunciación alemana: [ˈdʒɛɪ̯ms ˈfʁaŋk] ⓘ ; 26 de agosto de 1882 - 21 de mayo de 1964) fue unfísicoque ganó elPremio Nobel de Físicajunto conGustav Hertz"por su descubrimiento de las leyes que gobiernan el impacto de un electrón sobre un átomo".[1]Completó sudoctoradoen 1906 y suhabilitaciónen 1911 en laUniversidad Frederick Williamde Berlín, donde dio conferencias y enseñó hasta 1918, habiendo alcanzado el puesto deprofesor extraordinario. Sirvió como voluntario en el ejército alemán durantela Primera Guerra Mundial. Fue gravemente herido en 1917 en un ataque con gas y fue galardonado con laCruz de Hierrode primera clase.

Franck se convirtió en el jefe de la División de Física de la Kaiser Wilhelm Gesellschaft para Química Física. En 1920, Franck se convirtió en profesor ordinario de física experimental y director del Segundo Instituto de Física Experimental de la Universidad de Gotinga . Mientras estuvo allí trabajó en física cuántica con Max Born , quien era director del Instituto de Física Teórica. Su trabajo incluyó el experimento de Franck-Hertz , una importante confirmación del modelo atómico de Bohr . Promovió las carreras de mujeres en física, en particular Lise Meitner , Hertha Sponer y Hilde Levi .

Después de que el Partido Nazi llegara al poder en Alemania en 1933, Franck renunció a su puesto en protesta por el despido de sus compañeros académicos. Ayudó a Frederick Lindemann a ayudar a los científicos judíos despedidos a encontrar trabajo en el extranjero, antes de abandonar Alemania en noviembre de 1933. Después de un año en el Instituto Niels Bohr en Dinamarca , se mudó a los Estados Unidos, donde trabajó en la Universidad Johns Hopkins en Baltimore y luego en la Universidad de Chicago . Durante este período se interesó en la fotosíntesis .

Franck participó en el Proyecto Manhattan durante la Segunda Guerra Mundial como Director de la División de Química del Laboratorio Metalúrgico . También fue presidente del Comité de Problemas Políticos y Sociales en relación con la bomba atómica, que es más conocido por la elaboración del Informe Franck , que recomendaba que las bombas atómicas no se utilizaran sobre las ciudades japonesas sin previo aviso.

Primeros años de vida

James Franck nació en Hamburgo , Alemania, el 26 de agosto de 1882, en una familia judía , el segundo hijo y el primer varón de Jacob Franck, un banquero, y su esposa Rebecca, de soltera Nachum Drucker. [2] Tenía una hermana mayor, Paula, y un hermano menor, Robert Bernard. [3] Su padre era un hombre devoto y religioso, mientras que su madre provenía de una familia de rabinos. [2] Franck asistió a la escuela primaria en Hamburgo. A partir de 1891 asistió al Wilhelm-Gymnasium , que entonces era una escuela solo para varones. [3]

En aquel entonces, Hamburgo no tenía universidad, por lo que los futuros estudiantes tenían que asistir a una de las 22 universidades que había en otras partes de Alemania. Con la intención de estudiar derecho y economía, Franck ingresó en la Universidad de Heidelberg en 1901, ya que tenía una reconocida facultad de derecho. [4] Asistió a clases de derecho, pero estaba mucho más interesado en las de ciencia. Mientras estaba allí, conoció a Max Born , quien se convertiría en un amigo de toda la vida. Con la ayuda de Born, pudo persuadir a sus padres para que le permitieran cambiar a estudiar física y química. [5] Franck asistió a clases de matemáticas de Leo Königsberger y Georg Cantor , pero Heidelberg no era fuerte en ciencias físicas, por lo que decidió ir a la Universidad Federico Guillermo en Berlín. [4]

En Berlín, Franck asistió a conferencias de Max Planck y Emil Warburg . [6] El 28 de julio de 1904 salvó a un par de niños de ahogarse en el río Spree . [6] Para su doctorado (Dir. Phil.) bajo la supervisión de Warburg, [7] Warburg le sugirió que estudiara las descargas de corona . Franck encontró este tema demasiado complejo, por lo que cambió el enfoque de su tesis . [8] Titulada Über die Beweglichkeit der Ladungsträger der Spitzenentladung ("Sobre la movilidad de los iones "), [9] posteriormente se publicaría en los Annalen der Physik . [10]

Una vez terminada su tesis, Franck tuvo que cumplir con el servicio militar diferido. Fue llamado a filas el 1 de octubre de 1906 y se unió al 1.er Batallón de Telégrafos. Sufrió un pequeño accidente de equitación en diciembre y fue dado de baja por no estar en condiciones de cumplir con su deber. En 1907 aceptó una beca en la Physikalische Verein de Frankfurt , pero no le gustó y pronto regresó a la Universidad Frederick William. [11] En un concierto, Franck conoció a Ingrid Josephson, una pianista sueca. Se casaron en una ceremonia sueca en Gotemburgo el 23 de diciembre de 1907. Tuvieron dos hijas, Dagmar (Daggie), que nació en 1909, y Elisabeth (Lisa), que nació en 1912. [12]

Para seguir una carrera académica en Alemania, no bastaba con tener un doctorado; se necesitaba una venia legendi o habilitación. Esto se podía lograr con otra tesis importante o produciendo un cuerpo sustancial de trabajo publicado. Franck eligió la segunda vía. Había muchos problemas sin resolver en física en ese momento, y en 1914 había publicado 34 artículos. Fue el único autor de algunos, pero generalmente prefería trabajar en colaboración con Eva von Bahr , Lise Meitner , Robert Pohl , Peter Pringsheim  [de] , Robert W. Wood , Arthur Wehnelt o Wilhelm Westphal . Su colaboración más fructífera fue con Gustav Hertz , con quien escribió 19 artículos. Recibió su habilitación el 20 de mayo de 1911. [13]

Experimento de Franck-Hertz

Gráfico. El eje vertical está etiquetado como "corriente" y varía de 0 a 300 en unidades arbitrarias. El eje horizontal está etiquetado como "voltaje" y varía de 0 a 15 voltios.
Corriente del ánodo (unidades arbitrarias) versus voltaje de la red (en relación con el cátodo). Este gráfico se basa en el artículo original de 1914 de Franck y Hertz.

En 1914, Franck se asoció con Hertz para realizar un experimento para investigar la fluorescencia . Diseñaron un tubo de vacío para estudiar los electrones energéticos que volaban a través de un vapor fino de átomos de mercurio . Descubrieron que cuando un electrón colisionaba con un átomo de mercurio, podía perder solo una cantidad específica (4,9  electronvoltios ) de su energía cinética antes de salir volando. Un electrón más rápido no se desacelera por completo después de una colisión, sino que pierde exactamente la misma cantidad de su energía cinética. Los electrones más lentos simplemente rebotan en los átomos de mercurio sin perder ninguna velocidad o energía cinética significativa. [14] [15]

Estos resultados experimentales proporcionaron la confirmación del efecto fotoeléctrico de Albert Einstein y la relación de Planck ( E = fh ) que vincula la energía ( E ) y la frecuencia ( f ) que surgen de la cuantificación de la energía con la constante de Planck ( h ). Pero también proporcionaron evidencia que apoya el modelo del átomo que había sido propuesto el año anterior por Niels Bohr . Su característica clave era que un electrón dentro de un átomo ocupa uno de los "niveles de energía cuántica" del átomo. Antes de una colisión, un electrón dentro del átomo de mercurio ocupa su nivel de energía más bajo disponible. Después de la colisión, el electrón en el interior ocupa un nivel de energía más alto con 4,9 eV más de energía. Esto significa que el electrón está más débilmente unido al átomo de mercurio. No había niveles intermedios ni posibilidades. [14] [16]

En un segundo artículo presentado en mayo de 1914, Franck y Hertz informaron sobre la emisión de luz por los átomos de mercurio que habían absorbido energía de las colisiones. Demostraron que la longitud de onda de esta luz ultravioleta correspondía exactamente a los 4,9 eV de energía que había perdido el electrón en vuelo. La relación entre energía y longitud de onda también había sido predicha por Bohr. [14] [17] Franck y Hertz completaron su último artículo juntos en diciembre de 1918. En él, conciliaron las discrepancias entre sus resultados y la teoría de Bohr, que ahora reconocían. [18] [19] En su discurso del Nobel, Franck admitió que era "completamente incomprensible que no hayamos reconocido el significado fundamental de la teoría de Bohr, hasta el punto de que nunca la mencionamos ni una sola vez". [20] El 10 de diciembre de 1926, Franck y Hertz recibieron el Premio Nobel de Física de 1925 "por su descubrimiento de las leyes que gobiernan el impacto de un electrón sobre un átomo". [1]

Primera Guerra Mundial

Franck se alistó en el ejército alemán poco después del estallido de la Primera Guerra Mundial en agosto de 1914. En diciembre fue enviado al sector de Picardía del Frente Occidental . Se convirtió en oficial adjunto ( offizierstellvertreter ) y luego en teniente ( leutnant ) en 1915. [21] A principios de 1915 fue transferido a la nueva unidad de Fritz Haber que introduciría nubes de gas de cloro como arma. [22] Con Otto Hahn fue responsable de localizar sitios para los ataques. Fue galardonado con la Cruz de Hierro de Segunda Clase el 30 de marzo de 1915, [23] y la ciudad de Hamburgo le otorgó la Cruz Hanseática el 11 de enero de 1916. [23] Mientras estaba en el hospital por pleuresía , coescribió otro artículo científico con Hertz, y fue nombrado profesor asistente en su ausencia por la Universidad Frederick William el 19 de septiembre de 1916. Enviado al frente ruso , enfermó de disentería . Regresó a Berlín, donde se unió a Hertz, Westphal, Hans Geiger , Otto Hahn y otros en el Instituto Kaiser Wilhelm de Química Física y Electroquímica de Haber , trabajando en el desarrollo de máscaras de gas . [21] Fue galardonado con la Cruz de Hierro de Primera Clase el 23 de febrero de 1918. Fue dado de baja del ejército el 25 de noviembre de 1918, poco después de que terminara la guerra. [23]

Una vez terminada la guerra, el Instituto Kaiser Wilhelm de Haber volvió a dedicarse a la investigación y Haber le ofreció un trabajo a Franck. Su nuevo puesto venía con un mejor sueldo, pero no era un puesto fijo. Sin embargo, le permitió a Franck continuar con su investigación como deseaba. Trabajando con nuevos colaboradores más jóvenes como Walter Grotrian , Paul Knipping, Thea Krüger, Fritz Reiche y Hertha Sponer , sus primeros artículos en el Instituto Kaiser Wilhelm examinaron los electrones atómicos en su estado excitado, resultados que más tarde resultarían importantes en el desarrollo del láser . [24] Acuñaron el término " metaestable " para los átomos que pasan un tiempo prolongado en un estado distinto al de menor energía . [25] Cuando Niels Bohr visitó Berlín en 1920, Meitner y Franck organizaron que fuera al Instituto Kaiser Wilhelm para hablar con el personal más joven sin la presencia de los bonzen ("peces gordos"). [26]

Gotinga

Los Bonzen , de izquierda a derecha: Max Reich  [de] , Max Born , James Franck y Robert Pohl en 1923

En 1920, la Universidad de Gotinga ofreció a Max Born su cátedra de física teórica, que había sido desocupada recientemente por Peter Debye . Gotinga era un centro importante para las matemáticas, gracias a David Hilbert , Felix Klein , Hermann Minkowski y Carl Runge , pero no tanto para la física. Esto cambiaría. Como parte de su precio por venir a Gotinga, Born quería que Franck dirigiera la física experimental allí. El 15 de noviembre de 1920, Franck se convirtió en profesor de física experimental y director del Segundo Instituto de Física Experimental, un profesor ordinario con titularidad total . Se le permitieron dos asistentes, por lo que trajo a Hertha Sponer con él desde Berlín para cubrir uno de los puestos. Pohl, un profesor talentoso, dirigió el Primer Instituto y se encargó de las conferencias. [27] [28] Franck reformó el laboratorio con el equipo más moderno utilizando fondos de su propio bolsillo. [29]

Bajo la dirección de Born y Franck, Gotinga fue uno de los grandes centros mundiales de física entre 1920 y 1933. [28] [29] Aunque publicaron solo tres artículos juntos, Born y Franck discutieron cada uno de sus artículos entre sí. Obtener la admisión al laboratorio de Franck se volvió altamente competitivo. Sus estudiantes de doctorado incluyeron a Hans Kopfermann , Arthur R. von Hippel , Wilhelm Hanle , Fritz Houtermans , Heinrich Kuhn , Werner Kroebel  [de] , Walter Lochte-Holtgreven y Heinz Maier-Leibnitz . [30] Al supervisar a los candidatos a doctorado, Franck tuvo que asegurarse de que los temas de la tesis estuvieran bien definidos y enseñaría al candidato cómo realizar una investigación original, sin salirse de los límites de la capacidad del candidato, el equipo del laboratorio y el presupuesto del instituto. [31] Bajo su dirección se llevaron a cabo investigaciones sobre la estructura de los átomos y las moléculas. [32]

En su propia investigación, Franck desarrolló lo que se conoció como el principio de Franck-Condon , una regla en espectroscopia y química cuántica que explica la intensidad de las transiciones vibrónicas , cambios simultáneos en los niveles de energía electrónica y vibracional de una molécula debido a la absorción o emisión de un fotón de la energía apropiada. El principio establece que durante una transición electrónica , será más probable que ocurra un cambio de un nivel de energía vibracional a otro si las dos funciones de onda vibracionales se superponen de manera más significativa. [33] [34] Desde entonces, el principio se ha aplicado a una amplia variedad de fenómenos relacionados. [35]

Por su trabajo durante este período, Franck fue elegido miembro de la Academia Estadounidense de las Artes y las Ciencias en 1929. [36]

Exilio

Este período llegó a su fin cuando el Partido Nazi ganó el poder en Alemania en una elección el 2 de marzo de 1933. El mes siguiente promulgó la Ley para la Restauración del Servicio Civil Profesional , que preveía la jubilación o el despido de todos los funcionarios judíos, junto con los opositores políticos del gobierno. Como veterano de la Primera Guerra Mundial, Franck estaba exento, pero presentó su renuncia de todos modos el 17 de abril de 1933. [37] Una vez comentó que la ciencia era su Dios y la naturaleza era su religión. No exigió a sus hijas que asistieran a clases de instrucción religiosa en la escuela, [38] e incluso les permitió tener un árbol decorado en Navidad; [39] pero estaba orgulloso de su herencia judía de todos modos. [38] Fue el primer académico en dimitir en protesta por la ley. [40] Los periódicos de todo el mundo lo informaron, pero ningún gobierno o universidad protestó. [41]

Franck ayudó a Frederick Lindemann a ayudar a los científicos judíos despedidos a encontrar trabajo en el extranjero, antes de dejar Alemania en noviembre de 1933. [42] Después de una breve visita a los Estados Unidos, donde midió la absorción de luz en agua pesada con Wood en la Universidad Johns Hopkins , aceptó un puesto en el Instituto Niels Bohr en Copenhague . [43] Necesitaba un nuevo colaborador, por lo que contrató a Hilde Levi , cuya reciente tesis lo había impresionado. [44] Su intención original era continuar su investigación sobre la fluorescencia de vapores y líquidos, pero bajo la influencia de Bohr comenzaron a interesarse en los aspectos biológicos de estas reacciones, particularmente la fotosíntesis , el proceso por el cual las plantas usan la luz para convertir el dióxido de carbono y el agua en compuestos más orgánicos. Los procesos biológicos resultaron ser mucho más complicados que las reacciones simples en átomos y moléculas. Fue coautor de dos artículos con Levi sobre el tema, a los que volvería en los años siguientes. [43] [45] [46]

Franck encontró un puesto en la Polytekniske Læreanstalt de Copenhague para Arthur von Hippel, que ahora era su yerno, tras haberse casado con su hija Dagmar. Decidió proporcionar seguridad financiera a sus hijos dividiendo el dinero del Premio Nobel entre ellos. La medalla de oro en sí fue confiada a Niels Bohr para su custodia. [47] Cuando Alemania invadió Dinamarca el 9 de abril de 1940, el químico húngaro George de Hevesy disolvió la medalla de oro, junto con la de Max von Laue en agua regia para evitar que los alemanes se las llevaran. Colocó la solución resultante en un estante en su laboratorio en el Instituto Niels Bohr. Después de la guerra, regresó y encontró la solución intacta y precipitó el oro del ácido. La Sociedad Nobel luego volvió a fundir las medallas del Premio Nobel. [48] [49]

En 1935, Franck se trasladó a los Estados Unidos, donde había aceptado una cátedra en la Universidad Johns Hopkins. [50] El laboratorio allí estaba mal equipado en comparación con el de Gotinga, pero recibió 10.000 dólares para el equipo de la Fundación Rockefeller . Un problema más difícil de resolver era que la universidad no tenía dinero para contratar personal cualificado. Franck estaba preocupado por los miembros de su familia que permanecían en Alemania y necesitaba dinero para ayudarlos a emigrar. Por lo tanto, aceptó una oferta de la Universidad de Chicago , donde su trabajo sobre la fotosíntesis había despertado interés, en 1938. [51]

El primer artículo de Franck allí, en coautoría con Edward Teller , fue sobre procesos fotoquímicos en cristales. [52] Hans Gaffron se convirtió en su colaborador. [53] A ellos se unió Pringsheim, quien escapó de Bélgica después de la invasión alemana . Franck consiguió un puesto para Pringsheim en su laboratorio. [54] Tanto sus hijas como sus familias se mudaron a los Estados Unidos, y también pudo sacar a su anciana madre y tía. [55] Se convirtió en ciudadano estadounidense naturalizado el 21 de julio de 1941, [23] por lo que no era un extranjero enemigo cuando Estados Unidos declaró la guerra a Alemania el 11 de diciembre de 1941. Sin embargo, sus hijas todavía lo eran, por lo que se les restringió viajar y no pudieron cuidar de su madre cuando enfermó y murió el 10 de enero de 1942, aunque se les permitió asistir a su funeral. [56]

En febrero de 1942, Arthur H. Compton estableció su Laboratorio Metalúrgico en la Universidad de Chicago. Como parte del Proyecto Manhattan , su misión era construir reactores nucleares para crear plutonio que se utilizaría en bombas atómicas . [57] La ​​División de Química del Laboratorio Metalúrgico estuvo inicialmente dirigida por Frank Spedding , pero él prefería el trabajo práctico a la administración. Compton luego recurrió a Franck, con cierta inquietud debido a su origen alemán. [58] Compton escribió más tarde:

¡Cómo recibió Franck la invitación a unirse a nuestro proyecto! Fue un voto de confianza que superó con creces sus esperanzas y le dio la oportunidad de hacer su parte por la causa de la libertad. "No estoy luchando contra el pueblo alemán", explicó. "Sino contra los nazis. Tienen un dominio absoluto sobre Alemania. El pueblo alemán está indefenso hasta que podamos quebrar la fuerza de sus amos nazis". Los químicos recibieron a Franck como a un estadista científico de avanzada edad cuya guía estaban encantados de seguir. [59]

Además de dirigir la División de Química, Franck también fue presidente del Comité del Laboratorio Metalúrgico sobre Problemas Políticos y Sociales relacionados con la bomba atómica, que estaba integrado por él mismo y por Donald J. Hughes , JJ Nickson , Eugene Rabinowitch , Glenn T. Seaborg , JC Stearns y Leó Szilárd . [60] En 1945, Franck advirtió a Henry A. Wallace de sus temores de que "la humanidad ha aprendido a desatar el poder atómico sin estar ética y políticamente preparada para usarlo sabiamente". [61] El comité compiló lo que se conoció como el Informe Franck . Terminado el 11 de junio de 1945, recomendó que las bombas atómicas no se usaran en las ciudades japonesas sin previo aviso. [60] En cualquier caso, el Comité Interino decidió lo contrario. [62]

Vida posterior

Cuatro premios Nobel. Franck entre Niels Bohr y Albert Einstein , con Isidor Isaac Rabi en 1954

Franck se casó con Hertha Sponer en una ceremonia civil el 29 de junio de 1946, [63] su primera esposa, Ingrid, había muerto en 1942. En su investigación de posguerra, continuó abordando el problema de explicar el mecanismo de la fotosíntesis. Meitner no vio ninguna interrupción entre su trabajo temprano y el posterior. Ella recordó que

A Franck le gustaba hablar de sus problemas, no tanto para explicárselos a los demás como para satisfacer su propia mente. Una vez que un problema despertaba su interés, se sentía completamente cautivado, incluso obsesionado por él. El sentido común y la lógica pura eran sus principales herramientas, junto con aparatos sencillos. Su investigación siguió una línea casi recta, desde sus primeros estudios sobre la movilidad de los iones hasta su último trabajo sobre la fotosíntesis; siempre fue el intercambio de energía entre átomos o moléculas lo que le fascinó. [64]

Además del Premio Nobel, Franck recibió la medalla Max Planck de la Deutsche Physikalische Gesellschaft en 1951 y la medalla Rumford de la Academia Estadounidense de las Artes y las Ciencias por su trabajo sobre la fotosíntesis en 1955. Se convirtió en ciudadano honorario de Göttingen en 1953, [65] fue elegido miembro de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos en 1944, [66] y elegido Miembro Extranjero de la Royal Society (ForMemRS) en 1964. [67] También fue miembro internacional de la American Philosophical Society . [ 68]

Murió repentinamente de un ataque cardíaco mientras visitaba Gotinga el 21 de mayo de 1964, [67] y fue enterrado en Chicago con su primera esposa. [69]

En 1967, la Universidad de Chicago bautizó con su nombre al Instituto James Franck . [70] También se ha bautizado con su nombre a un cráter lunar . [71] Sus documentos se encuentran en la Biblioteca de la Universidad de Chicago. [23]

Véase también

Notas

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  4. ^ ab Lemmerich 2011, págs. 12-15.
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  6. ^ ab Lemmerich 2011, págs. 16-17.
  7. ^ Rice y Jortner 2010, pág. 5.
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Referencias

Lectura adicional

  • Medawar, Jean ; Pyke, David (2012). El regalo de Hitler: La verdadera historia de los científicos expulsados ​​por el régimen nazi . Nueva York: Arcade Publishing. ISBN 978-1-61145-709-4.
  • Transcripción de la entrevista de historia oral con James Franck el 9 de julio de 1962, Instituto Americano de Física, Biblioteca y Archivos Niels Bohr, Sesión I
  • Transcripción de la entrevista de historia oral con James Franck el 10 de julio de 1962, Instituto Americano de Física, Biblioteca y Archivos Niels Bohr, Sesión II
  • Transcripción de la entrevista de historia oral con James Franck el 11 de julio de 1962, Instituto Americano de Física, Biblioteca y Archivos Niels Bohr, Sesión III
  • Transcripción de la entrevista de historia oral con James Franck y Hertha Sponer Franck el 12 de julio de 1962, Instituto Americano de Física, Biblioteca y Archivos Niels Bohr, Sesión IV
  • Transcripción de la entrevista de historia oral con James Franck y Hertha Sponer Franck el 13 de julio de 1962, Instituto Americano de Física, Biblioteca y Archivos Niels Bohr, Sesión V
  • Transcripción de la entrevista de historia oral con James Franck y Hertha Sponer Franck el 14 de julio de 1962, Instituto Americano de Física, Biblioteca y Archivos Niels Bohr, Sesión VI
  • James Franck en Nobelprize.orgIncluida la conferencia Nobel del 11 de diciembre de 1926: "Transformación de la energía cinética de los electrones libres en energía de excitación de los átomos por impactos"
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