詹姆斯·弗兰克（1925年诺贝尔物理学奖得主）
詹姆斯·弗兰克（1925年诺贝尔物理学奖得主）
| 出生 | 1882年8月26日 德国汉堡 |
|---|---|
| 逝世 | 1964年5月21日（81岁） 西德哥廷根 |
| 国籍 | 德国人 |
| 身份 | 物理学家 |
| 获奖年份 | 1925年 |
| 奖项类别 | 诺贝尔物理学奖 |
| 获奖理由 | 发现电子与原子碰撞中能量交换的规律（弗兰克-赫兹实验） |
生平
詹姆斯·弗兰克（James Franck）1882年8月26日出生于德国汉堡的一个犹太银行家家庭。父亲雅各布·弗兰克是银行家，母亲雷贝卡·多鲁姆·纳赫曼出身于汉堡显赫的犹太家族。弗兰克是家中第二个孩子，他在汉堡威廉文理中学接受教育后，于1902年进入海德堡大学学习化学。
弗兰克对化学课程感到失望，一年后转学至柏林大学学习物理学。在柏林大学他深受物理化学家瓦尔特·能斯特和理论物理学家海因里希·鲁本斯的吸引。1906年他获得博士学位，博士论文研究的是气体中离子在强电场下的迁移率。毕业后他短暂在法兰克福大学工作，随后回到柏林大学在鲁本斯的物理研究所担任助理。
1911年弗兰克与来自汉堡的英格里德·约瑟夫松结婚，婚后育有两个女儿。就在这一年他遇到了古斯塔夫·赫兹——两人的合作开启了物理学史上最著名的实验合作之一。1914年至1924年间，弗兰克先后在柏林大学和哥廷根大学任教，1921年成为哥廷根大学物理化学研究所所长。
纳粹上台后，1933年弗兰克因犹太裔身份被强制解职。他当即发表了一封著名的公开信，辞去教授职务以表示抗议——这封"弗兰克公开信"成为当时德国学术界最有感召力的抗议行动之一。此后他辗转丹麦和英国，1935年接受美国约翰·霍普金斯大学的邀请继续他的研究，1941年加入美国国籍。
二战期间弗兰克参与了曼哈顿计划。他是该计划中少数几位从开始就对其道德后果深感不安的科学家之一。战后他参与起草并领衔签署了著名的"弗兰克报告"（1945年6月），强烈建议美国政府不要在日本城市中投下原子弹，而应在无人区进行"示威"展示以威慑日本投降。这份报告虽然未被采纳，但成为核时代科学家社会责任的经典文献。
战后弗兰克回到刚成立不久的西德，受聘为哥廷根大学教授和马克斯·普朗克物理化学研究所所长，为德国战后科学重建做出了重要贡献。1964年5月21日在哥廷根去世，享年81岁。
学术生涯
弗兰克的第一个重要工作是在柏林大学完成的，研究了电子与各种气体分子的非弹性碰撞过程。当时物理学家对电子的原子尺度行为知之甚少：电子穿过气体时，什么情况下能量会传递给原子？能量传递是连续的吗？原子内部存在分立的能级吗？玻尔1913年的原子模型虽然预言了分立的定态能级，但还缺少最直接的实验验证。
1912-1914年间，弗兰克与古斯塔夫·赫兹合作设计了一个精巧的实验。他们在真空管中加热一个可以发射电子的灯丝，用电场加速电子，使电子穿过低压汞蒸气后抵达一个收集极。他们发现：当加速电压低于4.9电子伏时，电子与汞原子只发生弹性碰撞（没有能量损失）；但当电压达到4.9伏时，电子突然失去几乎全部能量——这些能量被汞原子吸收，同时汞原子发射出波长为253.7纳米的紫外光。
这一实验直接证明了玻尔预言的原子定态能级的存在：汞原子确实拥有一个能量恰好为4.9电子伏的激发态，电子只能通过失去一整个"能量包"（即量子）才能将其激发。弗兰克和赫兹因此为量子理论提供了决定性的实验证据——这个实验后来被称为弗兰克-赫兹实验。
一战的爆发中断了弗兰克和赫兹的合作。弗兰克应征入伍，曾参与毒气战的研制工作，但他后来说这件事给他留下了"最黑暗的回忆"。战后他回到柏林大学继续研究电子碰撞，并在哥廷根大学创立了活跃的实验物理小组。
在哥廷根期间，弗兰克拓展到分子光谱学、荧光和磷光现象的研究。他提出了弗兰克-康顿原理——该原理指出分子在电子跃迁中核间距保持不变的倾向决定了振动能级跃迁的强度分布，这后来成为分子光谱学的基础性原理。
获奖成就
弗兰克与古斯塔夫·赫兹共同获得1925年诺贝尔物理学奖，以表彰"发现电子与原子碰撞中能量交换的规律"。弗兰克在那年的诺贝尔晚宴上致辞时，特别强调了这个实验是一个纯学术问题的产物——他们开始的初衷是研究电子与气体碰撞的动力学原理，而不是去验证某个理论。他生动地说："我们发现的恰恰是我们在寻找的——只是我们开始时并不知道我们在寻找它。"
弗兰克获得的诺奖与他后来参与曼哈顿计划之间有某种命运的讽刺：他通过电子-原子碰撞实验揭示了原子内部能量的量子化本质，可以说为理解原子核能的释放奠定了机理基础；三十年后他又致力于防止这种能量以最暴烈的方式释放。
历史贡献
弗兰克-赫兹实验是20世纪物理学史上最简明而深刻的实验之一。它在概念上直截了当——测量电子通过原子蒸气后的能量损失——但其结果对物理学的冲击力不亚于卢瑟福的α粒子散射实验。如果玻尔的原子理论宣告了量子世界的存在，弗兰克-赫兹实验则证明了量子世界的行为是可观察、可测量和可重复的。因此它通常与密立根的油滴实验、卢瑟福的散射实验一起被列为"原子物理学的三大奠基性实验"。
弗兰克的另一个重大贡献是弗兰克-康顿原理，这是理解分子光谱强度的定量工具，在化学物理、天体物理（用于解释星际分子云的光谱）和光化学（用于预测光解反应的产物分布）中有广泛应用。
在人类价值层面，弗兰克的"公开信"（1933年）和他的领衔签署的"弗兰克报告"（1945年）在科学伦理史上具有符号性地位。这两个行动体现了同一真诚人格的两个侧面：当科学受到政治压迫时挺身而出；当自己的科学成果面临被滥用为大规模杀伤武器时大声反对。
轶事典故
弗兰克在哥廷根大学非常受学生爱戴。他不仅指导实验，还经常在周末邀请研究生到家中聚会，煮一锅意大利面，边吃边讨论物理问题。他的家成了学生们最受欢迎的社交场所——当时柏林大学的严厉风气和哥廷根的自由氛围形成了鲜明的反差，这种宽松的氛围是弗兰克刻意营造的。
纳粹上台后，弗兰克收到解职通知后做的第一件事不是整理实验室，而是从自家花园中挖出多年来为防患于未然而掩埋的诺贝尔金质奖章——1933年的德国强迫犹太人上缴贵金属，弗兰克将奖章交给了丹麦的尼尔斯·玻尔代为保管，避免了被纳粹没收的命运。
弗兰克在参与曼哈顿计划期间，始终坚持不让自己的研究所从事任何与核武器设计直接相关的敏感研究。他安排组里的人员专注于基础辐射化学和光合作用研究。即使后来他领衔了弗兰克报告的起草，军队的安全人员仍然把弗兰克视为"最不可控者之一"。
参考文献
1. Franck, J. & Hertz, G. (1914). Über Zusammenstöße zwischen Elektronen und den Molekülen des Quecksilberdampfes. Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, 16: 457–467. 2. Franck, J. & Condon, E. U. (1926). Elementary Processes of Photochemical Reactions. Journal of the American Chemical Society, 48: 322–339. 3. 《弗兰克报告（全文）》, 1945年6月. 4. Nobel Foundation: James Franck – Biographical. nobelprize.org. 5. 《哥廷根物理学史》, 高等教育出版社.