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1914年4月:法蘭克(James Franck)研究電子和原子的碰撞
1914年,法蘭克做出最著名的電子撞擊汞原子的散射研究,他對物理的貢獻、對道德議題不計個人安危所採取的立場,以及處於科學和政治分歧的十字路口時所抱持的態度,讓他成為一位廣受敬重的科學家。
 
 
法蘭克(James Franck)1882年出生於德國漢堡,是從葡萄牙移民過來的猶太後裔。他在1906年獲得柏林大學的博士學位,之後就留在該校研究直到1918年。1914年,法蘭克在那裡做出了最著名的電子撞擊汞原子的散射研究;他和赫茲(Gustav Hertz)合寫的論文讓他們在物理史冊上留下不朽的名聲。他對物理的貢獻、對道德議題不計個人安危所採取的立場,以及處於科學和政治分歧的十字路口時所抱持的態度,讓他成為一位廣受敬重的科學家。

法蘭克-赫茲的實驗證實了汞原子具有分立的能階(discrete energy levels),這是法蘭克和赫茲共同研究的成果。其中赫茲是海因里希‧赫茲(Heinrich Hertz)的姪兒,海因里希因證實了馬克士威(James Clerk Maxwell)理論中所預測的電磁波的存在因而得名。法蘭克-赫茲的裝置,類似真空管,內有直線的陰極,當管內充滿汞蒸氣,並藉由通電將溫度升至約120℃,氣壓約1mm汞柱時,陰極會放射出電子,其在通過管中的網篩或網格後會被鉑陽極收集。
 
教學實驗室做法蘭克-赫茲實驗的汞蒸氣真空管:(A)陽極、(G)網格、(C)陰極 (Photo: Wikimedia commons)
▲教學實驗室做法蘭克-赫茲實驗的汞蒸氣真空管:(A)陽極、(G)網格、(C)陰極 (Photo: Wikimedia commons)
若在陰極和網格間加壓V,電子會被加速到達網格;但在陽極和網格間加個很小的減速電壓則會阻止低能量的電子被收集。當法蘭克和赫茲增加電壓V時,發現鉑陽極筒所收集到的電流也會增加,這表示經過汞蒸氣的電子幾乎沒有喪失能量。但如果考量管子的大小及電子和汞原子的碰撞截面,就可知道電子從陰極通過到達鉑網時已經和原子碰撞過好幾百次了。顯然地,這個碰撞應是彈性的,電子幾乎沒給原子任何能量。用一個粗淺的比擬,電子有如是子彈,在氣體中歷經許多次彈性的碰撞後,其能量的損失或偏斜都是極小的。

但當V到達約 4.9 eV 時,電流會突然降到幾乎為0,這現象意味著在 4.9 eV時, 電子會在碰撞時失去他所有的能量,故無法克服減速電壓以到達陽極。起初,法蘭克和赫茲認為這是由於汞原子碰撞電子時被游離了,然而他們很快就了解這能量喪失是因為汞原子在基態和電離能階間存在著一些分立的能階。這是第一次在光譜學外有實驗可以證明氫原子理論,波耳不久前才發表的假說,所說的原子存在著分立的能階。

在物理界,他們的發現引起很多人的震驚。例如演講後,愛因斯坦就告訴麥特娜說:「這美妙得令人想哭」。在他們的第二篇論文中,他們更證明了 4.9 eV 會激發汞原子波長為2537埃紫外線的放射。

後來在第一次世界大戰期間,法蘭克暫時離開他的科學事業到德軍服志願役,並在一次毒氣攻擊中受了重傷。戰後他回到學校,1920年擔任了那時是量子物理重鎮的哥廷根大學實驗物理教授。1925年,他又提出知名的法蘭克-康登原理,成為今日物理人理解雙原子分子以及更複雜分子的電子光譜的基礎。

1933年,希特勒通過歧視性的法規,禁止猶太人擔任政府公職。法蘭克因曾在第一次世界大戰中服役,所以被排除在此法規之外。但是,他卻甘冒事業和個人的安危選擇了辭去當時職務,才得以免除去解雇他的猶太同僚和學生的痛苦決定。他是德國第一個選擇這麼作為的大學教授。

法蘭克離開德國後,繼續在歐洲擔任了幾個短暫的學術職務。1940年,他和封‧勞爾(Max von Laue)擔心德軍會沒收他們的諾貝爾獎章,就把獎章託寄在哥本哈根波耳研究所。入侵的德軍曾一度進入哥本哈根,行進到研究所附近,當時在研究所內的匈牙利化學家德黑韋西(George de Hevesy)情急之下,將黃金打造的獎章放入硝酸和鹽酸混合的王水中溶解,然後將此裝著黃色液體的瓶子置放在櫃子內不顯眼處。瓶子就一直擺在那裡直到戰後,他們才將黃金復原,送到諾貝爾學會,由學會重鑄獎章後再送回給法蘭克和封‧勞爾。
 
諾貝爾獎得主(由左):波耳(Niels Bohr)、法蘭克(James Franck)、愛因斯坦(Albert Einstein)、和拉比(Isidor Rabi) (Photo: Wikimedia commons)
▲諾貝爾獎得主(由左):波耳(Niels Bohr)、法蘭克(James Franck)、愛因斯坦(Albert Einstein)、和拉比(Isidor Rabi) (Photo: Wikimedia commons)

法蘭克後來到了美國,在芝加哥大學度過餘生。在加入曼哈頓計劃時,於1945年6月的報告中,他極力主張政府當局應該實地示範核武器爆炸,以威嚇日本達成和平談判,這樣就可避免實際使用核彈了。之後,他又加入停止核武競試的努力,可惜都沒成功。他在此議題的立場反映出他畢生在公共議題上的道德堅持。法蘭克於1964年5月訪問哥廷根時突然過世。
 

(譯自APS News,2017年4月)

 
延伸閱讀:
Lemmerich, J. 2011. Science and Conscience: The Life of James Franck. Palo Alto. Stanford University Press. Palo Alto.
Rice, S. and Jortner J. 2010. James Franck, 1882-1964: A Biographical Memoir. The National Academies Press. Washington, D.C.
Nobel Prize in Physics, 1925.
Franck, J. and Hertz., G., 1914. Verh. Dtsch. Phys. Ges. 16: 457-467.
Franck, J. and Hertz., G., 1914. Verh. Dtsch. Phys. Ges. 16, 512-517.
American Institute of Physics. The Invisible Prize (accessed March 16, 2017).
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