Доцент университета Гумбольдта в Берлине Джеймс Франк и его ассистент Густав Герц работали с флуоресценцией паров ртути в электровакуумных лампах, когда в одном из экспериментов открыли явление, доказавшее квантовую природу энергии атома. Герц продемонстрировал этот опыт и объяснил его на апрельском заседании Немецкого физического общества 1914 года, а на следующем заседании общества 22 мая того же года его показал и прокомментировал Франк. Между их докладами у их коллег-физиков было время самостоятельно повторить опыт и подумать над интерпретацией его результата.
Фото: Ed Lochocki / Physics Soup
Сам опыт, вошедший в историю науки как опыт Франка—Герца, был довольно простой. В вакуумной лампе, заполненной парами ртути, плавно повышалось напряжение между катодом и сеткой (анодом). Сила тока при этом тоже плавно росла, но по достижении напряжения 4,6 В она резко падала, потом снова начинала монотонно расти — и опять скачок вниз при напряжении 9,2 В (2 х 4,6 В), новый скачок вниз при 13,8 В (3 х 4,6 В)… и так далее. Объясняли Франк и Герц это так. При напряжении ниже 4,6 В электроны еще не разгоняются до такой скорости, чтобы передать свою кинетическую энергии атому ртути. По сравнению с атомом они ничтожно малы и, наталкиваясь на атом ртути, просто отскакивают от него, как резиновый мячик. Происходит, как говорят физики, упругое столкновение.
Но по достижении энергии 4,6 эВ электрон уже имеет такую кинетическую энергию, что при ударе буквально сотрясает атом ртути, энергия электрона поглощается атомом, он переходит в возбужденное состояние, а электрон теряет скорость и, попросту говоря, останавливается (такое столкновение получило название неупругого). Амперметр в этот момент фиксирует падение силы тока на аноде лампы. При дальнейшем нарастании напряжения в цепи лампы цикл повторяется раз за разом с шагом в 4,6 эВ. В какой-то момент пары атомов ртути в лампе начинают светиться (флуоресцировать), отдавая полученную от столкновений с электронами, тоже квантами, только световыми — фотонами. О фотонах, впрочем, тогда еще не знали, их открыл Комптон только в 1920-е годы.
Но суть явления была ясна. Атом поглощает энергию порциями — квантами электромагнитного поля, а это означало, что верна теоретическая модель атома Нильса Бора с электронными орбиталями. Если электрон находится на своей стационарной орбитали, то атом не излучает электромагнитных волн, а для перехода электрона на другую стационарную орбиту атому надо поглотить или испустить строго определенную порцию энергии. Франк и Герц наглядно показали, что для атома ртути эта порция — электромагнитный квант равен 4,6 эВ.
Это произошло весной 1914 года, а летом началась Первая мировая война. И Франка, и Герца призвали в армию, оба воевали на Западном фронте. Франк дослужился до лейтенанта, в 1915 годы был ранен, награжден Железным крестом и, не снимая мундира, вернулся к занятиям физикой. В 1916 году его снова отправили на фронт, на этот раз в Россию. Там он заболел дизентерией, вернулся в Германию, но окончательно его демобилизовали только в ноябре 1918 года, когда Германия поиграла войну.
Герц воевал рядовым, его тоже ранили в 1915 году, но на фронт его больше не посылали и демобилизовали в 1917 году. Последнюю совместную научную работу они написали по переписке, лежа на госпитальных койках в 1915 году. Потом их жизненные пути разошлись, сойдясь только однажды, в 1926 году в Стокгольме, когда они оба получили из рук шведского короля Нобелевскую премию по физике за 1925 год — за свой опыт 1914 года.
Оба они был евреями. В 1933 году, когда к власти пришел Гитлер, Франк эмигрировал из Германии сначала в Данию, а в 1940 году в США. Герц остался в Германии, где ему выдали справку, что он лишь «частично еврей второй степени» (такие разрешения на работу нацисты выдавали «полезным евреям»). В Америке Франк был обречен попасть в Манхэттенский проект, где внес свой вклад в создание атомной бомбы. Герц работал над тем же в Германии в компании «Сименс», разрабатывая методы обогащения изотопов урана.
В июне 1945 года Франк подготовил записку для руководства США («Доклад Франка»), где настаивал на публичном его испытании «на каком-нибудь из необитаемых остров», считая, что одна угроза его применения будет гуманнее и действенней, чем неминуемое убийство массы гражданских людей при его применении в боевых действиях. А Герц в это время ехал в числе других немецких физиков-атомщиков, захваченных в плен Красной армией, в Сухуми, где его ждал пост заведующего лабораторией по разделению радиоактивных изотопов. Работал он в этой секретной лаборатории в сухумском санатории «Агудзеры» успешно. В 1949 году в Семипалатинске была взорвана первая советская атомная бомба, а в 1951 году Герц получил Сталинскую премию (ныне Государственная премия).
В 1954 году Герц уехал в ГДР, где стал главой научного совета по атомной энергетике при совете министров Восточной Германии, директором Физического института в Лейпциге и сооснователем крупнейшего в ГДР Исследовательского центра Россендорф в Дрездене. Умер он в почете и уважении на 88-м году жизни в Берлине, но похоронен был в семейной могиле в Гамбурге в ФРГ. Франк, давно ставший американским гражданином, после Второй мировой войны отошел от ядерной физики и стал заниматься фотосинтезом, он посещал Западную Германию только как гость, во время одной из таких поездок он умер в доме друзей в Геттингене в возрасте 81 года.
Сергей Петухов