ジェームズ・フランク

ジェームズ・フランク
1925年のフランク
生まれる	(1882-08-26)1882年8月26日 ハンブルク、ドイツ帝国
死亡	1964年5月21日(1964-05-21)（享年81歳） ゲッティンゲン、西ドイツ
国籍	ドイツ語
市民権	ドイツ アメリカ合衆国
母校	ハイデルベルク大学 ベルリン大学
知られている	ケージ効果 フランク・コンドン原理 フランク・ヘルツの実験 フランクレポート
受賞歴	鉄十字章 2級(1915) ハンザ十字章（1916年） 鉄十字章一級（1918年） ノーベル物理学賞(1925) マックス・プランク・メダル（1951年） ランフォード賞(1955) 王立協会会員（1964年）
科学者としてのキャリア
フィールド	物理
機関	ベルリン大学 ゲッティンゲン大学 ジョンズ・ホプキンス大学 シカゴ大学 冶金研究所
論文	Über die Beweglichkeit der Ladungsträger der Spitzenentladung  (1906)
博士課程の指導教員	エミール・ガブリエル・ウォーバーグ ポール・ドルード
博士課程の学生	ヴィルヘルム・ハンレ アーサー・R・フォン・ヒッペル セオドア・パック

ジェームズ・フランク（ドイツ語発音： [ˈdʒɛɪ̯ms ˈfʁaŋk] ^ⓘ ; 1882年8月26日 - 1964年5月21日)はドイツの物理学者1925年にグスタフ・ヘルツとともに「電子が原子に及ぼす影響を支配する法則の発見」によりノーベル物理学賞^[1]1906年に博士号を1911年にフリードリヒ・ヴィルヘルム大学博士号取得し、1918年まで同大学で講義と教育を行い、特任教授第一次世界大戦中はドイツ軍に志願兵として従軍した鉄十字章を受章した。

フランクはカイザー・ヴィルヘルム協会物理化学部門の責任者となった。1920年、フランクはゲッティンゲン大学の実験物理学の教授および第二実験物理学研究所の所長となった。在学中、彼は理論物理学研究所所長のマックス・ボルンとともに量子物理学に取り組んだ。彼の研究には、ボーアの原子模型の重要な確認となったフランク・ヘルツの実験が含まれる。彼は物理学における女性、特にリーゼ・マイトナー、ヘルタ・シュポーナー、ヒルデ・レヴィのキャリアを促進した。

1933年にナチ党がドイツで政権を握ると、フランクは同僚の学者の解雇に抗議して職を辞した。彼は、解雇されたユダヤ人科学者が海外で仕事を見つけるのを手助けするフレデリック・リンデマンに協力し、1933年11月にドイツを離れた。デンマークのニールス・ボーア研究所で1年間働いた後、彼は米国に移り、ボルチモアのジョンズ・ホプキンス大学、その後シカゴ大学で働いた。この時期に彼は光合成に興味を持つようになった。

フランクは第二次世界大戦中、冶金研究所化学部門の責任者としてマンハッタン計画に参加した。また、原子爆弾に関する政治社会問題委員会の委員長でもあり、同委員会は、警告なしに日本の都市に 原子爆弾を使用しないよう勧告したフランク報告の編纂で最もよく知られている。

ジェームズ・フランクは1882年8月26日、ドイツのハンブルクで、銀行家のヤコブ・フランクとその妻レベッカ（旧姓ナフム・ドラッカー）のユダヤ人家庭に、第2子で長男として生まれた。 ^[2]フランクには姉のパウラと弟のロバート・ベルナールがいた。^[3]フランクの父親は敬虔で宗教的な人で、母親はラビの家系出身だった。^[2]フランクはハンブルクの小学校に通った。1891年からは、当時男子校だったヴィルヘルム・ギムナジウムに通った。 ^[3]

当時ハンブルクには大学がなかったので、志願者はドイツ国内の22の大学のいずれかに進学しなければならなかった。法律と経済学を学ぶつもりで、フランクは1901年に有名な法学部があったハイデルベルク大学に入学した。 ^[4]彼は法律の講義に出席したが、科学の講義にはるかに興味があった。そこで彼は生涯の友人となるマックス・ボルンと出会った。ボルンの助けにより、フランクは両親を説得して物理学と化学の勉強に切り替えることができた。^{[5]フランクは}レオ・ケーニヒスベルガーとゲオルク・カントールの数学の講義に出席したが、ハイデルベルクは物理科学に強くなかったため、ベルリンのフリードリヒ・ヴィルヘルム大学に行くことにした。^[4]

ベルリンでは、フランクはマックス・プランクとエミール・ワールブルクの講義に出席した。^{[6] 1904年7月28日、彼は}シュプレー川で溺れかけた子供2人を救った。^{[6]ワールブルクの指導の下で}哲学博士号（Dir. Phil.）を取得するために、 ^{[7]ワールブルクはフランクに}コロナ放電を研究するよう提案した。フランクはこのテーマが複雑すぎると感じ、論文の焦点を変更した。^[8]この論文は「イオンの移動度について」と題され、 ^{[9]その後、} Annalen der Physikに掲載された。^[10]

フランクは論文を書き終えると、延期されていた兵役に就かなければならなかった。1906年10月1日に召集され、第1電信大隊に入隊した。12月に軽い乗馬事故に遭い、任務不適格として除隊となった。 1907年にフランクフルトの物理学会で助手として働いたが、楽しくなく、すぐにフレデリック・ヴィルヘルム大学に戻った。^{[11]コンサートで、フランクはスウェーデン人ピアニストのイングリッド・ジョセフソンと出会った。2人は1907年12月23日に}ヨーテボリでスウェーデン式の結婚式を挙げた。2人の間には1909年生まれのダグマー（ダギー）と1912年生まれのエリザベート（リサ）の2人の娘が生まれた。^[12]

ドイツで学問の道を進むには、博士号を持っているだけでは不十分で、博士号（ハビリテーション）が必要だった。これは、別の主要な論文か、相当量の出版物を出すことで達成できた。フランクは後者の道を選んだ。当時、物理学には未解決の問題が多く、1914年までに34本の論文を発表した。そのうちのいくつかは単独で執筆したものだったが、通常はエヴァ・フォン・バール、リーゼ・マイトナー、ロバート・ポール、ペーター・プリングスハイム [de]、ロバート・W・ウッド、アーサー・ウェーネルト、ヴィルヘルム・ウェストファルらとの共同研究を好んだ。最も実り多い共同研究はグスタフ・ヘルツとの共同研究で、19本の論文を執筆した。フランクは1911年5月20日に博士号を取得した。^[13]

1914年、フランクはヘルツとチームを組み、蛍光を調べる実験を行った。彼らは、水銀原子の薄い蒸気の中を飛ぶ高エネルギー電子を研究するための真空管を設計した。彼らは、電子が水銀原子に衝突すると、飛び去る前に特定の量（4.9 電子ボルト）の運動エネルギーしか失わないことを発見した。より速い電子は衝突後に完全に減速しないが、正確に同じ量の運動エネルギーを失う。より遅い電子は、速度や運動エネルギーをほとんど失うことなく、水銀原子から跳ね返るだけである。^{[14] [15]}

これらの実験結果は、アルベルト・アインシュタインの光電効果と、エネルギー ( E ) と周波数 ( f ) を結びつけるプランクの関係 ( E = fh ) を、プランク定数( h )によるエネルギーの量子化から生じる関係式を裏付けるものであった。しかし、それらはまた、前年にニールス・ボーアによって提唱された原子モデルを裏付ける証拠も提供した。その重要な特徴は、原子内の電子が原子の「量子エネルギーレベル」の 1 つを占めることである。衝突前、水銀原子内の電子は利用可能な最低エネルギーレベルを占めている。衝突後、内部の電子は 4.9 eV 高いエネルギーを持つより高いエネルギーレベルを占める。これは、電子が水銀原子に緩く結合していることを意味する。中間レベルや中間の可能性はなかった。^{[14] [16]}

1914 年 5 月に発表された 2 番目の論文で、フランクとヘルツは衝突でエネルギーを吸収した水銀原子からの発光について報告しました。彼らは、この紫外線の波長が、飛行中の電子が失った 4.9 eV のエネルギーと正確に一致することを示し、エネルギーと波長の関係はボーアによっても予測されていました。^{[14] [17]}フランクとヘルツは 1918 年 12 月に最後の論文を共同で完成させました。その中で、彼らは自分たちの結果とボーアの理論との間の矛盾を和解させ、今ではその矛盾を認めています。^{[18] [19]}フランクはノーベル賞受賞講演で、「ボーアの理論の根本的な重要性を認識できなかったのは完全に理解できないことであり、その重要性について一度も言及しなかったほどです」と認めています。^[20] 1926年12月10日、フランクとヘルツは「電子が原子に及ぼす影響を支配する法則を発見した」として1925年のノーベル物理学賞を受賞した。^[1]

フランクは1914年8月に第一次世界大戦が勃発するとすぐにドイツ軍に入隊した。12月には西部戦線のピカルディ地区に派遣された。副官（offizierstellvertreter）となり、1915年には中尉（leutnant）に昇進した^{。[21] 1915年初頭には}フリッツ・ハーバーの新部隊に異動となり、塩素ガスの雲を兵器として導入することになった。^[22]オットー・ハーンとともに攻撃場所の特定を担当した。1915年3月30日、彼は二級鉄十字章を受章し、 ^[23]ハンブルク市は1916年1月11日にハンザ十字章を授与した。 ^[23]胸膜炎で入院中、彼はヘルツとさらに別の科学論文を共同執筆し、1916年9月19日、フリードリヒ・ヴィルヘルム大学からヘルツの不在中の助教授に任命された。ロシア戦線に送られた彼は赤痢にかかった。彼はベルリンに戻り、ハーバーのカイザー・ヴィルヘルム物理化学・電気化学研究所でヘルツ、ウェストファル、ハンス・ガイガー、オットー・ハーンらと合流し、ガスマスクの開発に取り組んだ。^[21]彼は1918年2月23日、一級鉄十字章を受章した。彼は戦争が終わった直後の1918年11月25日に陸軍を除隊した。^[23]

戦争が終わると、ハーバーのカイザー・ヴィルヘルム研究所は研究を再開し、ハーバーはフランクに職を提供した。彼の新しい職は給与が上がったが、終身在職権はなかった。しかし、フランクは自分の研究を好きなように進めることができた。ヴァルター・グロトリアン、ポール・ニッピング、テア・クルーガー、フリッツ・ライヒェ、ヘルタ・スポーナーといった新しい若い協力者と協力し、カイザー・ヴィルヘルム研究所での最初の論文では、励起状態の原子電子について調べた。この結果は、後にレーザーの開発において重要であることが証明された。^{[24]彼らは、}最小エネルギー状態以外の状態で長時間過ごす原子を「準安定」という言葉で表現した。^{[25]ニールス・ボーアが1920年にベルリンを訪れたとき、マイトナーとフランクは、}ボンゼン（「大物」）のいないカイザー・ヴィルヘルム研究所で彼が若いスタッフと話をするのを手配した。^[26]

1920年、ゲッティンゲン大学はマックス・ボルンに理論物理学の教授職を提供した。その教授職はペーター・デバイが退任したばかりだった。ゲッティンゲンはダフィト・ヒルベルト、フェリックス・クライン、ヘルマン・ミンコフスキー、カール・ルンゲらのおかげで数学の重要な中心地だったが、物理学ではそれほどではなかった。しかし、この状況は一変する。ゲッティンゲンに来る見返りとして、ボルンはフランクに実験物理学の責任者になってほしいと考えた。1920年11月15日、フランクは実験物理学の教授、第二実験物理学研究所の所長となり、終身在職権を持つ教授となった。フランクは2人の助手を任せられたため、ヘルタ・シュポーナーをベルリンから連れてきて、そのうちの1人のポストに就かせた。才能ある教師であるポールが第一研究所の所長となり、講義を担当した。^{[27] [28]}フランクは自腹を切って最新の設備で研究室を改装した。^[29]

ボルンとフランクのもとで、ゲッティンゲンは1920年から1933年の間、世界有数の物理学の中心地となった。^{[28] [29]}二人が一緒に発表した論文はわずか3本だったが、ボルンとフランクはそれぞれの論文について互いに議論した。フランクの研究室に入るのは非常に競争が激しかった。フランクの博士課程の学生には、ハンス・コッファーマン、アルトゥール・R・フォン・ヒッペル、ヴィルヘルム・ハンレ、フリッツ・フーターマンス、ハインリヒ・クーン、ヴェルナー・クローベル [de]、ヴァルター・ロクテ＝ホルトグレーフェン、ハインツ・マイヤー＝ライプニッツなどがいた。^[30]博士課程の学生を指導するにあたって、フランクは論文のテーマが明確に定義されていることを確認し、候補者の能力、研究室の設備、研究所の予算の範囲内で、独自の研究を行う方法を指導する必要があった。^[31]彼の指導のもと、原子と分子の構造に関する研究が行われた。^[32]

フランクは自身の研究で、フランク＝コンドン原理として知られるようになった原理を編み出した。これは分光法と量子化学における法則で、適切なエネルギーの光子の吸収または放出による分子の電子エネルギーレベルと振動エネルギーレベルの同時変化である振電遷移の強度を説明するものである。この原理は、電子遷移中に、2つの振動波動関数の重なりが大きいほど、ある振動エネルギーレベルから別の振動エネルギーレベルへの変化が起きやすくなると述べている。^{[33] [34]}この原理はそれ以来、さまざまな関連現象に適用されてきた。^[35]

この時期の業績により、フランクは1929年にアメリカ芸術科学アカデミーに選出された。 ^[36]

この時代は、 1933年3月2日の選挙でナチ党がドイツで政権を獲得したときに終わりを迎えた。翌月、ナチ党は「専門職公務員の復活法」を制定し、政府の政敵とともにユダヤ人公務員全員の退職または解雇を定めた。第一次世界大戦の退役軍人であったフランクは例外であったが、1933年4月17日に辞表を提出した。^[37]彼はかつて、科学は神であり、自然は宗教であると述べた。彼は娘たちに学校で宗教の授業を受けることを強制せず、^[38]クリスマスには飾り付けたツリーを飾ることさえ許した。^[39]しかし、それでも彼はユダヤ人の血統を誇りに思っていた。^[38]彼はこの法律に抗議して辞職した最初の学者であった。^[40]世界中の新聞がこれを報じたが、政府や大学は抗議しなかった。^[41]

フランクは、1933年11月にドイツを離れる前に、解雇されたユダヤ人科学者が海外で仕事を見つけるのを手助けするフレデリック・リンデマンに協力した。 ^[42] 短期間アメリカを訪れ、ジョンズ・ホプキンス大学でウッドとともに重水中の光の吸収を測定した後、コペンハーゲンのニールス・ボーア研究所に就職した。^[43]新たな共同研究者が必要だったため、最近の論文に感銘を受けていたヒルデ・レヴィを採用した。 ^{[44]当初の意図は蒸気と液体の蛍光に関する研究を続けることだったが、ボーアの影響で彼らはこれらの反応の生物学的側面、特に}光合成、つまり植物が光を使って二酸化炭素と水をより多くの有機化合物に変換するプロセスに興味を持ち始めた。生物学的プロセスは、原子や分子の単純な反応よりもはるかに複雑であることが判明した。彼はレヴィとこのテーマで2本の論文を共著し、その後数年にわたってこのテーマに取り組むことになった。^{[43] [45] [46]}

フランクは、娘ダグマーと結婚して義理の息子となったアーサー・フォン・ヒッペルのために、コペンハーゲン工科大学に職を見つけた。フランクは、子供たちに経済的安定を与えるため、ノーベル賞の賞金を子供たちに分けることにした。金メダル自体は、保管のためニールス・ボーアに託された。 ^{[47] 1940年4月9日にドイツが}デンマークに侵攻したとき、ハンガリーの化学者ゲオルク・デ・ヘヴェシーは、ドイツ軍に奪われないように、マックス・フォン・ラウエの金メダルとともに王水に溶かした。彼は、その溶液をニールス・ボーア研究所の研究室の棚に置いた。戦後、彼が戻ると、溶液はそのままで、酸から金が沈殿した。その後、ノーベル協会はノーベル賞のメダルを鋳造し直した。^{[48] [49]}

1935年、フランクはジョンズ・ホプキンス大学の教授職に就くためアメリカに移住した。^[50]そこの研究所はゲッティンゲンの研究所に比べて設備が貧弱だったが、フランクはロックフェラー財団から設備費として1万ドルを受け取った。さらに解決困難な問題は、大学には熟練したスタッフを雇う資金がなかったことだ。フランクはドイツに残る家族のことを心配し、移住を支援する資金が必要だった。そこでフランクは、光合成に関する研究が注目を集めていたシカゴ大学からのオファーを1938年に受け入れた。 ^[51]

フランクがそこで発表した最初の論文は、エドワード・テラーとの共著で、結晶中の光化学過程に関するものだった。^[52] ハンス・ガフロンが彼の共同研究者となった。^{[53]彼らには、}ドイツ軍の侵攻後にベルギーから脱出したプリングスハイムが加わった。フランクはプリングスハイムのために自分の研究室での職を確保した。^[54]彼の娘たちとその家族はアメリカに移住し、彼は年老いた母親と叔母も呼び戻すことができた。^[55]彼は1941年7月21日にアメリカ国籍を取得したため、 ^[23]アメリカが1941年12月11日にドイツに宣戦布告した時には敵国人ではなかった。しかし彼の娘たちは依然として敵国人であったため、旅行が制限され、1942年1月10日に病気で亡くなった母親の世話をすることはできなかったが、葬儀への参列は許可された。^[56]

1942年2月、アーサー・H・コンプトンはシカゴ大学に冶金研究所を設立した。マンハッタン計画の一環として、その使命は原子爆弾に使用されるプルトニウムを製造するための原子炉を建設することだった。^{[57]冶金研究所の化学部門は当初}フランク・スペディングが率いていたが、彼は管理よりも実務を好んだ。その後、コンプトンはフランクのドイツ人としての経歴に多少の不安を抱きつつも彼に目を向けた。^[58] コンプトンは後にこう書いている。

フランクは、私たちのプロジェクトに参加するようという招待をどれほど歓迎したことでしょう。それは彼の期待をはるかに超える信頼の表明であり、自由のために自分の役割を果たす機会を与えてくれました。「私が戦っているのはドイツ国民ではありません」と彼は説明しました。「ナチスです。彼らはドイツを締め上げています。ドイツ国民は、私たちがナチスの支配者の力を打ち破るまで無力です。」化学者たちはフランクを科学界の長老として歓迎し、彼の指導に喜んで従いました。^[59]

フランクは化学部門を率いることに加え、冶金研究所の原子爆弾に関する政治社会問題委員会の委員長でもあった。この委員会は、フランク自身とドナルド・J・ヒューズ、JJ・ニックソン、ユージン・ラビノウィッチ、グレン・T・シーボーグ、JC・スターンズ、レオ・シラードで構成されていた。^[60] 1945年、フランクはヘンリー・A・ウォレスに「人類は原子力を倫理的かつ政治的に賢明に使用する準備がないまま、それを解き放つことを学んできた」という懸念を警告した。 ^{[61]この委員会は}、フランク報告として知られる報告書をまとめた。1945年6月11日に完成した報告書は、警告なしに日本の都市に原子爆弾を使用しないよう勧告した。 ^[60]いずれにせよ、暫定委員会は別の決定を下した。^[62]

フランクは1946年6月29日にヘルタ・シュポーナーと民事婚を行ったが^[63] 、最初の妻イングリッドは1942年に亡くなっていた。戦後の研究でも、彼は光合成のメカニズムを説明するという問題に取り組み続けた。マイトナーは、彼の初期の研究と後期の研究の間には断絶がないと考えていた。

フランクは自分の問題について話すのが好きだったが、他人に説明するためというよりは、自分の心を満足させるためだった。問題が彼の興味をかき立てると、彼は完全に魅了され、それどころかそれに取り憑かれてしまった。常識と率直な論理が彼の主な道具であり、シンプルな装置も使われた。彼の研究は、初期のイオン移動度研究から光合成に関する最後の研究まで、ほぼ一直線に続いていた。彼が常に興味をそそられたのは、原子や分子間のエネルギー交換だった。^[64]

ノーベル賞に加え、フランクは1951年にドイツ物理学会のマックス・プランク賞、 1955年に光合成に関する研究でアメリカ芸術科学アカデミーのランフォード賞を受賞した。1953年にゲッティンゲンの名誉市民となり、 ^[65] 1944年に米国科学アカデミーの会員に選出され、 ^[66] 1964年に王立協会の外国人会員（ForMemRS）に選出された。^{[67]また、}アメリカ哲学協会の国際会員でもあった。^[68]

彼は1964年5月21日にゲッティンゲンを訪問中に心臓発作で突然亡くなり、^[67]最初の妻とともにシカゴに埋葬された。^[69]

1967年、シカゴ大学はジェームズ・フランク研究所を彼の名にちなんで命名した。^[70]月のクレーターも彼にちなんで名付けられている。^[71]彼の論文はシカゴ大学図書館に所蔵されている。^[23]

• ユダヤ人ノーベル賞受賞者リスト

• コンプトン、アーサー（1956年）。『アトミック・クエスト』。ニューヨーク：オックスフォード大学出版局。OCLC 173307  。
• de Hevesy, Georg (1962). Adventures in Radioisotope Research. ニューヨーク: Pergamon Press. OCLC  12162216. 2015年6月20日閲覧。
• クーン、ハインリッヒ・ゲルハルト(1965 年 11月)。「ジェームズ・フランク。1882-1964」。王立協会フェローの伝記。11  : 53-74。doi :10.1098 / rsbm.1965.0004。JSTOR 769261。S2CID 71347884  。
• レメリッヒ、ヨスト（2011年）。『科学と良心：ジェームズ・フランクの生涯』。アン・M・ヘンチェル訳。カリフォルニア州スタンフォード：スタンフォード大学出版局。ISBN 978-0-8047-7909-8。
• ナックマンソン、デイヴィッド（1979年）。『1900年から1933年までのドイツ系ユダヤ人の科学の先駆者：原子物理学、化学、生化学のハイライト』ニューヨーク：シュプリンガー・フェアラーク。ISBN 978-0-38790-402-3。
• ライス、スチュアート A. ;ジョルトナー、ジョシュア(2010)。「ジェームズ・フランク 1882-1964: 伝記的回想録」(PDF)。米国科学アカデミー。2015年6 月 16 日閲覧。
• シュウェーバー、シルヴァン・S. (2012)。『核力：物理学者ハンス・ベーテの誕生』マサチューセッツ州ケンブリッジ：ハーバード大学出版局。ISBN 978-0-674-06587-1. OCLC  758383322.

• メダワー、ジーン、パイク、デイヴィッド（2012年）。『ヒトラーの贈り物：ナチス政権によって追放された科学者たちの真実の物語』ニューヨーク：アーケード出版。ISBN 978-1-61145-709-4。

• 1962 年 7 月 9 日、アメリカ物理学会、ニールス ボーア図書館およびアーカイブのジェームズ フランクとのオーラル ヒストリー インタビュー記録 - セッション I
• 1962 年 7 月 10 日、アメリカ物理学会、ニールス ボーア図書館およびアーカイブのジェームズ フランクとのオーラル ヒストリー インタビュー記録 - セッション II
• 1962 年 7 月 11 日、アメリカ物理学会、ニールス ボーア図書館およびアーカイブのジェームズ フランクとのオーラル ヒストリー インタビュー記録 - セッション III
• 1962 年 7 月 12 日、アメリカ物理学会、ニールス ボーア図書館およびアーカイブでのジェームズ フランクとヘルタ スポーナー フランクへのオーラル ヒストリー インタビューの記録 - セッション IV
• 1962 年 7 月 13 日、アメリカ物理学会、ニールス ボーア図書館およびアーカイブでのジェームズ フランクとヘルタ スポーナー フランクへのオーラル ヒストリー インタビューの記録 - セッション V
• 1962 年 7 月 14 日、アメリカ物理学会、ニールス ボーア図書館およびアーカイブでのジェームズ フランクとヘルタ スポーナー フランクへのオーラル ヒストリー インタビューの記録 - セッション VI
• Nobelprize.org の James Franck1926年12月11日のノーベル賞講演「衝突による自由電子の運動エネルギーの原子の励起エネルギーへの変換」を含む