جيمس فرانك: فيزيائي ألماني

ولد جيمس فرانك في هامبورغ، ألمانيا، في 26 أغسطس عام 1882، لعائلة يهودية، وهو الطفل الثاني والابن الأول للمصرفي، جايكوب فرانك، وزوجته ريبيكا (اسمها عند الولادة ناخوم دراكر). كان لديه أخت كبرى تدعى بولا، وأخ أصغر يدعى روبرت برنارد. كان والده رجلًا تقيًا ومتدينًا، بينما كانت والدته من عائلة حاخامات. التحق فرانك بالمدرسة الابتدائية في هامبورغ. ابتداءً من عام 1891، التحق في مدرسة فيلهلم الثانوية، والتي كانت آنذاك مدرسة للبنين فقط.

لم تكن هامبورغ جامعة في ذلك الوقت، لذلك كان على الطلاب المحتملين الالتحاق بإحدى الجامعات الـ22 في أماكن أخرى في ألمانيا. بهدف دراسة القانون والاقتصاد، التحق فرانك بجامعة هايدلبرغ عام 1901، إذ كانت فيها كلية حقوق مشهورة. حضر محاضرات في القانون، لكنه كان مهتمًا أكثر بالعلوم. في أثناء وجوده هناك، التقى بماكس بورن، الذي أصبح صديقه مدى الحياة. بمساعدة بورن، تمكن من إقناع والديه بالسماح له بالانتقال إلى دراسة الفيزياء والكيمياء. حضر فرانك محاضرات الرياضيات التي ألقاها كل من ليو كونيجسبيرجر وجورج كانتور، لكن هايدلبرغ لم تكن رائدة في العلوم الفيزيائية، لذلك، قرر الذهاب إلى جامعة فريدرش فيلهيلم في برلين.

في عام 1914، تعاون فرانك مع هرتز لإجراء تجربة بهدف دراسة الفلورية. ابتكرا صمامً مفرغًا لدراسة الإلكترونات النشطة التي تنتشر عبر بخار مكون من ذرات الزئبق. اكتشفا أنه عندما يصطدم إلكترون بذرة زئبق، يفقد كمية محددة فقط (4.9 إلكترون فولت) من طاقته الحركية قبل الانحدار عن مساره. لا يتباطأ الإلكترون الأسرع بشكل كامل بعد الاصطدام، لكنه يفقد نفس المقدار من طاقته الحركية. ترتد الإلكترونات الأبطأ عن ذرات الزئبق دون أن تفقد كمية كبيرة من سرعتها أو طاقتها الحركية.

قدمت هذه النتائج التجريبية تأكيدًا للظاهرة الكهروضوئية لألبرت أينشتاين وعلاقة بلانك (E = fh) التي تربط كل من الطاقة (E) والتردد (f) الناتج عن تكميم الطاقة مع ثابت بلانك (h). بالإضافة إلى ذلك، قدما أدلة تدعم نموذج الذرة الذي اقترحه نيلز بور في العام السابق. كانت الفكرة الرئيسية هي أن الإلكترون الموجود داخل الذرة يحتل أحد «مستويات الطاقة الكمومية» للذرة. قبل الاصطدام، يشغل الإلكترون الموجود داخل ذرة الزئبق أدنى مستوى طاقة متاح له. بعد الاصطدام، يشغل الإلكترون الداخلي مستوى طاقة أعلى مع زيادة تبلغ 4.9 إلكترون فولت. هذا يعني أن الإلكترون يضعف ارتباطه بذرة الزئبق. لم تكن هناك مستويات أو احتمالات وسيطة.

في ورقة ثانية نُشرت في مايو عام 1914، أبلغ فرانك وهرتز عن ظاهرة انبعاث الضوء من ذرات الزئبق التي امتصت الطاقة جراء الاصطدامات. أظهرا أن الطول الموجي لهذا الإشعاع فوق البنفسجي يتوافق تمامًا مع الطاقة البالغة 4.9 إلكترون فولت التي فقدها الإلكترون. بالإضافة إلى ذلك، تنبأ بور بالعلاقة بين الطاقة والطول الموجي. أكمل فرانك وهرتز بحثهما الأخير معًا في ديسمبر عام 1918. في هذا البحث، عملا على تسوية التناقضات بين نتائجهما ونظرية بور، والتي أقرا بها لاحقًا. في محاضرة نوبل، اعترف فرانك بأنه «من غير المقبول تمامًا أننا فشلنا في إدراك الأهمية البالغة لنظرية بور، لدرجة أننا لم نذكرها ولا لمرة واحدة». في 10 ديسمبر عام 1926، حصل فرانك وهرتز على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1925 «لاكتشافهما القوانين التي تحكم تأثير الإلكترون على الذرة».

• ماكس بورن
• كارل هيرزفيلد

• جيمس فرانك على موقع Encyclopædia Britannica Online (الإنجليزية)
• جيمس فرانك على موقع Munzinger IBA (الألمانية)
• جيمس فرانك على موقع NNDB people (الإنجليزية)