James Franck

James Franck ()pronunciación alemana: [en inglés] ()escucha); 26 agosto 1882 – 21 mayo 1964) fue un físico alemán que ganó el Premio Nobel de Física de 1925 con Gustav Hertz "por su descubrimiento de las leyes que rigen el impacto de un electrón sobre un átomo". Completó su doctorado en 1906 y su habilitación en 1911 en la Universidad Frederick William en Berlín, donde dio clases y enseñó hasta 1918, habiendo alcanzado la posición del profesor extraordinario. Fue voluntario en el ejército alemán durante la Primera Guerra Mundial. He was seriously injured in 1917 in a gas attack and was awarded the Iron Cross 1st Class.

Franck se convirtió en jefe de la División de Física de la Kaiser Wilhelm Gesellschaft de 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 Göttingen. 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 e Hilde Levi.

Después de que el Partido Nazi llegó al poder en Alemania en 1933, Franck renunció a su cargo 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 la Universidad de Chicago. Durante este período se interesó por 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 relacionados con la bomba atómica, mejor conocido por la elaboración del Informe Franck, que recomendaba que no se utilizaran bombas atómicas en las ciudades japonesas sin previo aviso.

Vida temprana

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

Hamburgo no tenía universidad entonces, por lo que los futuros estudiantes tenían que asistir a una de las 22 universidades del resto de Alemania. Con la intención de estudiar derecho y economía, Franck ingresó en la Universidad de Heidelberg en 1901, ya que tenía una facultad de derecho de renombre. Asistió a conferencias sobre derecho, pero estaba mucho más interesado en las de ciencia. Mientras estaba allí, conoció a Max Born, quien se convertiría en un amigo para toda la vida. Con la ayuda de Born, pudo persuadir a sus padres para que le permitieran pasar a estudiar física y química. Franck asistió a conferencias de matemáticas de Leo Königsberger y Georg Cantor, pero Heidelberg no era fuerte en ciencias físicas, por lo que decidió ir a la Universidad Frederick William de Berlín.

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

Una vez finalizada su tesis, Franck tuvo que realizar su servicio militar diferido. Fue llamado a filas el 1 de octubre de 1906 y se unió al 1.er Batallón de Telégrafos. Sufrió un accidente menor mientras montaba a caballo en diciembre y fue dado de baja por no estar apto para el servicio. Aceptó una ayudantía en la Physikalische Verein de Frankfurt en 1907, pero no la disfrutó y pronto regresó a la Universidad Frederick William. 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.

Para seguir una carrera académica en Alemania, tener un doctorado no era suficiente; se necesitaba una venia legendi, o habilitación. Esto podría lograrse con otra tesis importante o produciendo una cantidad sustancial de trabajos publicados. Franck optó por este último camino. Había muchos problemas sin resolver en física en ese momento y en 1914 había publicado 34 artículos. Fue el único autor de algunos, pero en general prefirió 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.

Experimento de Franck-Hertz

En 1914, Franck se asoció con Hertz para realizar un experimento para investigar la fluorescencia. Diseñaron un tubo de vacío para estudiar electrones energéticos que volaban a través de un fino vapor de átomos de mercurio. Descubrieron que cuando un electrón chocaba con un átomo de mercurio, sólo podía perder una cantidad específica (4,9 electronvoltios) de su energía cinética antes de volar. Un electrón más rápido no desacelera completamente 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.

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 de Planck. constante (h). Pero también proporcionaron evidencia que respaldaba el modelo del átomo que había propuesto el año anterior 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 del interior ocupa un nivel de energía más alto con 4,9 electrón voltios (eV) más de energía. Esto significa que el electrón está más débilmente unido al átomo de mercurio. No había niveles ni posibilidades intermedias.

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 volador. Bohr también había predicho la relación entre energía y longitud de onda. Franck y Hertz completaron su último artículo juntos en diciembre de 1918. En él conciliaban las discrepancias entre sus resultados y la teoría de Bohr, que ahora reconocían. En su discurso del Nobel, Franck admitió que era "completamente incomprensible que no hubiéramos reconocido el significado fundamental de la teoría de Bohr, hasta el punto de que ni siquiera la mencionamos una sola vez". El 10 de diciembre de 1926, Franck y Hertz recibieron el Premio Nobel de Física de 1925 "por su descubrimiento de las leyes que rigen el impacto de un electrón sobre un átomo".

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. A principios de 1915 fue transferido a la nueva unidad de Fritz Haber que introducir nubes de cloro gaseoso como arma. Junto con Otto Hahn, fue responsable de localizar los lugares de los ataques. Se le concedió la Cruz de Hierro de segunda clase el 30 de marzo de 1915, y la ciudad de Hamburgo le concedió la Cruz Hanseática el 11 de enero de 1916. Mientras estaba en el hospital por pleuresía, coescribió otro artículo científico con Hertz, y fue Fue nombrado profesor asistente en su ausencia por la Universidad Frederick William el 19 de septiembre de 1916. Enviado al frente ruso, contrajo 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 antigás. Se le concedió 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.

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 incluía más salario, pero no era un puesto permanente. Sin embargo, permitió a Franck continuar su investigación como deseaba. Trabajando con colaboradores nuevos y 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 de la láser. Acuñaron el término "metaestable" para átomos que pasan un tiempo prolongado en un estado distinto al de mínima energía. Cuando Niels Bohr visitó Berlín en 1920, Meitner y Franck hicieron arreglos para que viniera al Instituto Kaiser Wilhelm para hablar con el personal más joven sin la presencia de los bonzen ("peces gordos").

Gotinga

En 1920, la Universidad de Göttingen ofreció a Max Born su cátedra de física teórica, que recientemente había dejado vacante Peter Debye. Gotinga fue un importante centro para las matemáticas, gracias a David Hilbert, Felix Klein, Hermann Minkowski y Carl Runge, pero no tanto para la física. Esto cambiaría. Como parte del precio por venir a Gotinga, Born quería que Franck dirigiera allí la física experimental. El 15 de noviembre de 1920, Franck se convirtió en profesor de Física Experimental y director del Segundo Instituto de Física Experimental, un professor ordinarius de pleno derecho. Le permitieron dos asistentes, por lo que se trajo a Hertha Sponer desde Berlín para ocupar uno de los puestos. Pohl, un profesor talentoso, dirigió el Primer Instituto y dirigió las conferencias. Franck renovó el laboratorio con fondos de su propio bolsillo con equipamiento de última generación.

Bajo la dirección de Born y Franck, Göttingen fue uno de los grandes centros de física del mundo entre 1920 y 1933. Aunque sólo publicaron tres artículos juntos, Born y Franck discutieron cada uno de sus artículos entre sí. La admisión en el laboratorio de Franck se volvió muy competitiva. Entre sus estudiantes de doctorado se encontraban Hans Kopfermann, Arthur R. von Hippel, Wilhelm Hanle, Fritz Houtermans, Heinrich Kuhn, Werner Kroebel [ de], Walter Lochte-Holtgreven y Heinz Maier-Leibnitz. Al supervisar a los candidatos de doctorado, Franck tenía que asegurarse de que los temas de tesis estuvieran bien definidos y enseñara al candidato cómo realizar investigaciones originales, sin dejar de respetar los límites de la capacidad del candidato, el equipo del laboratorio y el presupuesto del instituto. Bajo su dirección se llevaron a cabo investigaciones sobre la estructura de átomos y moléculas.

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 vibratoria de una molécula debido a la absorción. o emisión de un fotón de la energía adecuada. El principio establece que durante una transición electrónica, será más probable que se produzca un cambio de un nivel de energía vibratoria a otro si las dos funciones de onda vibratoria se superponen de manera más significativa. Desde entonces, el principio se ha aplicado a una amplia variedad de fenómenos relacionados.

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

Exilio

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

Franck 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 una breve visita a los Estados Unidos, donde midió la absorción de luz en agua pesada con Wood en la Universidad Johns Hopkins, Asumió un puesto en el Instituto Niels Bohr de Copenhague. Necesitaba un nuevo colaborador, así que contrató a Hilde Levi, cuya reciente tesis lo había impresionado. Su intención original era continuar su investigación sobre la fluorescencia de vapores y líquidos, pero bajo la influencia de Bohr comenzaron a interesarse por los aspectos biológicos de estas reacciones, en particular la fotosíntesis, el proceso mediante el cual las plantas utilizan la luz para convertir el carbono. dióxido y agua en más compuestos 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.

Franck encontró un puesto en el Polytekniske Læreanstalt en Copenhague para Arthur von Hippel, que ahora era su yerno, tras haberse casado con su hija Dagmar. Decidió brindar seguridad financiera a sus hijos dividiendo el dinero del Premio Nobel entre ellos. La medalla de oro fue confiada a Niels Bohr para su custodia. 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 de su laboratorio en el Instituto Niels Bohr. Después de la guerra, regresó y encontró la solución intacta y precipitó el oro del ácido. Luego, la Sociedad Nobel reformuló las medallas del Premio Nobel.

En 1935, Franck se mudó a los Estados Unidos, donde aceptó una cátedra en la Universidad Johns Hopkins. El laboratorio allí estaba mal equipado en comparación con el de Gotinga, pero recibió 10.000 dólares para el equipamiento de la Fundación Rockefeller. Un problema más difícil era que la universidad no tenía dinero para contratar personal calificado. A Franck le preocupaba que los miembros de su familia permanecieran en Alemania y necesitaba dinero para ayudarlos a emigrar. Por lo tanto, en 1938 aceptó una oferta de la Universidad de Chicago, donde sus trabajos sobre la fotosíntesis habían despertado interés.

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

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. La división de química del laboratorio metalúrgico estuvo inicialmente dirigida por Frank Spedding, pero él prefirió el trabajo práctico a la administración. Compton luego se volvió hacia Franck, con cierta inquietud debido a su origen alemán. Compton escribió más tarde:

¡Cómo Franck recibió una invitación para unirse a nuestro proyecto! Fue un voto de confianza que superó mucho sus esperanzas, y le dio la oportunidad de hacer su parte por la causa de la libertad. "No es el pueblo alemán que estoy luchando", explicó. "Son los nazis. Tienen un estrangulamiento sobre Alemania. El pueblo alemán es indefenso hasta que podamos romper la fuerza de sus maestros nazis". Los químicos acogieron a Franck como un estadista científico anciano cuya guía estaban contentos de seguir.

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 formado por él mismo y Donald J. Hughes, J. J. Nickson, Eugene Rabinowitch., Glenn T. Seaborg, J. C. Stearns y Leó Szilárd. En 1945, Franck advirtió a Henry A. Wallace de sus temores de que "la humanidad haya aprendido a liberar la energía atómica sin estar ética y políticamente preparada para utilizarla sabiamente". El comité compiló lo que se conoció como el Informe Franck. Terminado el 11 de junio de 1945, recomendaba que las bombas atómicas no se utilizaran sobre las ciudades japonesas sin previo aviso. En cualquier caso, el Comité Interino decidió lo contrario.

Vida posterior

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

Franck disfrutó hablando de sus problemas, no tanto para explicarles a otros como para satisfacer su propia mente. Una vez que un problema había despertado su interés él estaba completamente cautivado, de hecho obsesionado por él. El sentido común y la lógica recta eran sus herramientas principales, junto con el simple aparato. Su investigación siguió una línea casi recta, desde sus primeros estudios de las habilidades ionales hasta su último trabajo en la fotosíntesis; siempre fue el intercambio de energía entre átomos o moléculas que lo fascinaron.

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 Artes y Ciencias por su trabajo sobre la fotosíntesis en 1955. Se convirtió en ciudadano honorario de Göttingen en 1953, fue elegido miembro de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos en 1944 y elegido miembro extranjero de la Royal Society (ForMemRS) en 1964. También fue miembro internacional de la American Philosophical Society.

Murió repentinamente de un ataque al corazón mientras visitaba Göttingen el 21 de mayo de 1964, y fue enterrado en Chicago con su primera esposa.

En 1967, la Universidad de Chicago nombró al Instituto James Franck en su honor. También se ha nombrado un cráter lunar en su honor. Sus artículos se encuentran en la Biblioteca de la Universidad de Chicago.