【物理史中的四月】1914 年 4 月:法蘭克(James Franck)研究原子和電子的碰撞

1914 年 4 月:法蘭克(James Franck)研究原子和電子的碰撞

文|蕭如珀、楊信男(臺灣大學物理學系)(譯自 APS News,2017 年 4 月)

1882 年,法蘭克(James Franck)出生在德國漢堡,是幾世紀前從葡萄牙移民的猶太後裔。他在 1906 年獲得柏林大學的博士學位,之後就一直留在柏林大學直到 1918 年為止。1914 年,法蘭克在那裡做出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名。他對物理研究的貢獻;他對道德議題不計個人安危所採取的立場;以及他在科學和政治十字路口所抱持的態度──這些全部加總起來讓他成為極少數廣被敬重的科學家之一,他真的是一位全方位的人。

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(由左)諾貝爾獎得主:波耳(Niels Bohr)、法蘭克(James Franck)、愛因斯坦(Albert Einstein)、和拉比(Isidor Rabi)
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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

法蘭克-赫茲的第一個實驗證實了汞原子分立能階(discrete energy levels)的存在,這是法蘭克和赫茲共同努力的成果。赫茲是海因里希‧赫茲(Heinrich Hertz)的姪兒,海因里希的實驗證實了馬克士威(James Clerk Maxwell)先前理論所提電磁波的存在。法蘭克-赫茲的裝置,類似真空管,內有直線陰極,通電加熱,經由熱離子放射產生電子。管內充滿汞蒸氣,溫度大約 120℃,氣壓大約 1 mm。陰極放射出的電子在通過一個網篩或網格後被鉑陽極收集。

在陰極和網格間加壓 V,會讓電子加速到網格;而在陽極和網格間加很小的減速電壓會阻止帶很低能量的電子被收集。當法蘭克和赫茲增加電壓V,被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。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鉑網時會和原子碰撞好幾百次。因此,碰撞是彈性的,電子也幾乎沒給原子能量。用一個粗淺的比擬就好比將電子對比為子彈,在氣體中歷經許多彈性的碰撞,但能量的損失或偏斜是極小的。

但當 V 到達 ~ 4.9 eV 時,電流會突然降到幾乎為 0,意思是,在 4.9 eV, 電子會在碰撞時失去他所有的能量,無法克服減速電壓去到陽極。起初,法蘭克和赫茲認為這是由於汞原子碰撞電子有被游離化,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分立能階。這是第一次在光譜學外有實驗證明,波耳不久前才發表的氫原子理論中所假設的原子分立能階。

在物理界,他們此發現的影響是很令人震驚的。演講後,愛因斯坦告訴麥特娜說:「這美妙得令人想哭」。在他們的第二篇論文中,他們證明 4.9 eV 會激發汞原子 2537-Å 紫外線的放射。

後來,法蘭克暫時離開他的科學事業,在第一次世界大戰期間到德軍服志願役,在一次毒氣攻擊中受了重傷。戰後他回到學校,1920 年擔任那時是量子物理重鎮的哥廷根大學實驗物理教授。1925 年,他提出知名的法蘭克-康登原理,這是我們理解雙原子分子,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外。但是,他卻選擇甘冒事業和個人安危辭去他的職務,才不用被迫去解雇他的猶太同僚和學生。他是第一個這麼大膽的德國大學教授。

法蘭克離開德國,繼續在歐洲擔任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黃金諾貝爾獎章,就把獎章放在哥本哈根波耳研究所保管。入侵的德軍曾有一度進入哥本哈根,行進到研究所附近,他們一定會沒收獎章的,該怎麼辦呢?當時在研究所的匈牙利化學家德黑韋西(George de Hevesy)在情急之下,將黃金打造的獎章放入硝酸和鹽酸混合的王水中溶解,然後將裝著黃色液體的瓶子置放在櫃子不顯眼處。瓶子就一直放在那裡直到戰後,他們才將黃金復原,送到諾貝爾學會。學會重鑄獎章後再送去給法蘭克和封‧勞爾。

法蘭克後來去到美國,在芝加哥大學度過他大半的餘生。在加入曼哈頓計劃後,於一次 1945 年 6 月的報告中,他極力主張政府當局實地示範核武器爆炸,這樣可避免實際使用核彈,來和日本達成和平。之後,他加入停止核武競試的努力,可惜沒成功。他在此議題上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。

References:

  1. Lemmerich, J. 2011.Science and Conscience: The Life of James Franck. Palo Alto. Stanford University Press. Palo Alto.
  2. Rice, S. and Jortner J. 2010.James Franck, 1882-1964: A Biographical Memoir.The National Academies Press. Washington, D.C.
  3. Nobel Prize in Physics, 1925.
  4. Franck, J. and Hertz., G., 1914.Verh. Dtsch. Phys. Ges.16: 457-467.
  5. Franck, J. and Hertz., G., 1914.Verh. Dtsch. Phys. Ges.16, 512-517.
  6. American Institute of Physics.The Invisible Prize(accessed March 16, 2017). aip.org/history-programs/news/invisible-prize

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