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제임스 프랑크

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목차

1. 개요

제임스 프랑크는 독일의 유대인 물리학자로, 1925년 구스타프 헤르츠와 함께 프랑크-헤르츠 실험을 통해 전자가 원자에 미치는 충격에 대한 법칙을 발견한 공로로 노벨 물리학상을 수상했다. 그는 하이델베르크 대학교에서 물리학과 화학을 공부하고, 베를린 대학교에서 막스 플랑크와 에밀 바르부르크의 지도를 받았다. 프랑크는 괴팅겐 대학교 교수로 재직하며 프랑크-콘돈 원리를 개발했으며, 나치 정권의 유대인 차별 정책에 항거하여 사임 후 미국으로 망명하여 시카고 대학교에서 광합성 연구를 이어갔다. 그는 또한 원자 폭탄의 위험성을 경고하는 프랑크 보고서를 작성했다.

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제임스 프랑크 - [인물]에 관한 문서
기본 정보
1925년의 프랑크
1925년의 프랑크
출생일1882년 8월 26일
출생지함부르크, 독일 제국
사망일1964년 5월 21일
사망지괴팅겐, 니더작센주, 서독
국적독일
미국
학문 분야
분야물리학
근무지베를린 대학교
괴팅겐 대학교
존스 홉킨스 대학교
시카고 대학교
금속 공학 연구소
모교하이델베르크 대학교
베를린 대학교
박사 지도교수에밀 가브리엘 바르부르크
파울 드루데
박사 학위 논문 제목Über die Beweglichkeit der Ladungsträger der Spitzenentladung (뾰족한 방전의 전하 운반체의 이동성에 관하여)
박사 학위 논문 URL박사 학위 논문 URL
박사 학위 취득 년도1906년
박사 학위 제자빌헬름 한레 (가칭)
아르투르 R. 폰 히펠 (가칭)
테오도어 팩 (가칭)
주요 업적케이지 효과
프랑크-콘돈 원리
프랑크-헤르츠 실험
프랑크 보고서
수상
수상 내역철십자 훈장 2급 (1915년)
한자 동맹 십자장 (1916년)
철십자 훈장 1급 (1918년)
노벨 물리학상 (1925년)
막스 플랑크 메달 (1951년)
럼퍼드 상 (1955년)
왕립 학회 회원 (1964년)

2. 생애

제임스 프랑크는 함부르크의 유대계 독일인 은행가 집안에서 태어났다. 하이델베르크 대학교에서 화학을, 베를린 대학교에서 물리학을 공부했다.

1907년 프랑크푸르트의 피지칼리셰 페어라인에서 조교 자리를 얻었지만, 그곳을 좋아하지 않아 곧 베를린 대학교로 돌아갔다.[2] 그해 12월 23일 예테보리에서 스웨덴 피아니스트 잉그리드 조셉슨과 스웨덴식 결혼식을 올렸다. 슬하에 딸 다그마(1909년생)와 엘리자베스(1912년생)를 두었다.

독일에서 대학교수 자격을 얻으려면 강사 자격(''하빌리타치온'')이 필요했다. 이는 또 다른 주요 논문이나 상당한 양의 출판된 연구물을 통해 얻을 수 있었다. 프랑크는 후자를 택했다. 1914년까지 34편의 논문을 출판했는데, 에바 폰 바르, 리제 마이트너, 로베르트 폴, 로버트 W. 우드, 아르투어 베넬트, 빌헬름 베스트팔 등과 공동 연구를 선호했다. 특히 구스타프 헤르츠와는 19편의 논문을 함께 썼다. 1911년 5월 20일, 프랑크는 하빌리타치온을 취득했다.

1914년 8월 제1차 세계 대전이 발발하자 독일 제국 독일군에 입대했다. 12월 서부 전선의 피카르디 지역에 배치되어 부관, 1915년 중위가 되었다. 같은 해 프리츠 하버 부대로 전출되어 염소 가스 무기 도입에 참여했고,[8] 오토 한과 함께 공격 지점을 선정했다. 1915년 3월 30일 철십자 훈장 2급,[9] 1916년 1월 11일 한자 십자 훈장을 받았다.[9] 늑막염으로 입원 중 헤르츠와 과학 논문을 썼고, 1916년 9월 19일 베를린 대학교 부교수가 되었다. 러시아 전선에서 이질에 걸려 베를린으로 돌아와 하버의 카이저 빌헬름 물리화학 및 전기화학 연구소에서 방독면 개발에 참여했다.[9] 1918년 2월 23일 철십자 훈장 1급을 받고, 11월 25일 제대했다.[9]

전후 하버의 연구소가 연구를 재개하면서 프랑크에게 일자리를 제안했다. 급여는 많았지만 정년직은 아니었다. 프랑크는 발터 그로트리안, 파울 크니핑, 테아 크루거, 프리츠 라이헤, 헤르타 스포너 등과 원자 전자의 여기 상태를 연구했고, 이는 레이저 개발에 중요한 "준안정 상태" 개념으로 이어졌다. 1920년 닐스 보어가 베를린을 방문했을 때, 마이트너와 프랑크는 보어가 젊은 직원들과 자유롭게 이야기할 수 있도록 주선했다.

2. 1. 초기 생애 ( ~ 1906년)

제임스 프랑크는 1882년 8월 26일 독일 함부르크에서 은행가인 아버지 야코프 프랑크와 어머니 레베카 나훔 드루커 사이에서 둘째이자 첫째 아들로 태어난 유대인이다.[2] 그는 누나 파울라와 남동생 로베르트 베르나르를 두었다. 그의 아버지는 독실하고 신앙심이 깊은 사람이었고, 그의 어머니는 랍비 집안 출신이었다.[2]

프랑크는 함부르크에서 초등학교를 다녔고, 1891년부터는 당시 남자 학교였던 빌헬름 김나지움에 다녔다.[2]

당시 함부르크에는 대학교가 없었기 때문에, 학생들은 독일의 다른 22개 대학교 중 한 곳에 다녀야 했다. 법학과 경제학을 공부할 생각이었던 프랑크는 1901년 하이델베르크 대학교에 입학했다. 그는 법학 강의보다는 과학 강의에 더 관심이 많았다. 그곳에서 그는 평생의 친구가 될 막스 보른을 만났고, 보른의 도움으로 부모님을 설득하여 물리학과 화학을 공부하게 되었다.[2] 프랑크는 레오 쾨니히스베르거와 게오르크 칸토어의 수학 강의를 들었지만, 하이델베르크는 자연과학 분야가 강하지 않았기 때문에 베를린의 프리드리히 빌헬름 대학교로 가기로 결정했다.[2]

베를린에서 프랑크는 막스 플랑크와 에밀 바르부르크의 강의를 들었다.[2] 1904년 7월 28일 그는 슈프레 강에서 익사하는 아이들을 구하기도 했다.[2] 바르부르크의 지도 아래 철학 박사 (Dir. Phil.) 학위를 위한 연구를 진행했는데,[2] 바르부르크는 그에게 코로나 방전을 연구할 것을 제안했지만, 프랑크는 이 주제가 너무 복잡하다고 생각하여 논문의 초점을 바꾸었다.[2] "첨두 방전의 이온의 이동성"이라는 제목의 이 논문은 이후 ''아날렌 데어 피지크''에 게재되었다.[2]

논문을 완성한 후, 프랑크는 연기되었던 군 복무를 해야 했다. 1906년 10월 1일에 소집되어 제1 전신 대대에 입대했지만, 12월에 가벼운 승마 사고를 당해 복무 부적합으로 제대했다.[2]

2. 2. 프랑크-헤르츠 실험과 노벨상 수상 (1906년 ~ 1920년)

1914년, 프랑크는 형광을 연구하기 위한 실험을 수행하기 위해 헤르츠와 팀을 이루었다. 그들은 진공관을 설계하여 얇은 수은 원자 증기를 통과하는 고에너지 전자를 연구했다. 그들은 전자가 수은 원자와 충돌할 때 날아가기 전에 특정 양(4.9 전자볼트)의 운동 에너지만 잃을 수 있다는 것을 발견했다. 더 빠른 전자는 충돌 후 완전히 감속하지 않지만 정확히 동일한 양의 운동 에너지를 잃는다. 느린 전자는 속도나 운동 에너지를 크게 잃지 않고 수은 원자에서 튕겨져 나왔다.[3]

이러한 실험 결과는 알베르트 아인슈타인의 광전 효과와 에너지(''E'')와 주파수(''f'')를 플랑크 상수(''h'')를 사용한 에너지 양자화에서 연결하는 플랑크 관계()를 확인하는 데 기여했다. 그러나 그들은 또한 전년도에 닐스 보어가 제안한 원자 모형을 뒷받침하는 증거를 제공했다. 그 주요 특징은 원자 내부의 전자가 원자의 "양자 에너지 준위" 중 하나를 차지한다는 것이었다. 충돌 전, 수은 원자 내부의 전자는 가장 낮은 가용 에너지 준위를 차지한다. 충돌 후, 내부의 전자는 4.9 eV의 에너지를 더 가진 더 높은 에너지 준위를 차지한다. 이는 전자가 수은 원자에 더 느슨하게 결합되어 있음을 의미한다. 중간 수준이나 가능성은 없었다.[4]

1914년 5월에 발표된 두 번째 논문에서 프랑크와 헤르츠는 충돌로 에너지를 흡수한 수은 원자의 빛 방출에 대해 보고했다. 그들은 이 자외선의 파장이 날아가는 전자가 잃은 4.9 eV의 에너지와 정확히 일치한다는 것을 보여주었다. 에너지와 파장의 관계도 보어가 예측했다.[5] 프랑크와 헤르츠는 1918년 12월에 마지막 논문을 함께 완성했다. 그들은 이제 인정된 보어의 이론과 그들의 결과 간의 불일치를 조정했다.[6] 노벨 강연에서 프랑크는 "우리가 보어의 이론의 근본적인 중요성을 인식하는 데 실패했다는 것이 완전히 이해할 수 없었으며, 심지어 한 번도 언급하지도 않았다"라고 인정했다.[7] 1926년 12월 10일, 프랑크와 헤르츠는 "전자가 원자에 미치는 충격에 대한 법칙을 발견한 공로"로 1925년 노벨 물리학상을 수상했다.[1]

2. 3. 괴팅겐 대학교 교수 시절 (1920년 ~ 1933년)

''Die Bonzen'', 왼쪽부터: , 막스 보른, 제임스 프랑크, 로베르트 포흘 (1923년)


1920년, 괴팅겐 대학교는 페터 데바이가 떠나 공석이 된 이론 물리학과 학과장 자리를 막스 보른에게 제안했다. 다비트 힐베르트, 펠릭스 클라인, 헤르만 민코프스키, 카를 룽게 덕분에 괴팅겐은 수학의 중요한 중심지였지만, 물리학에서는 그렇지 않았다. 보른은 게팅겐에 오는 조건으로 프랑크가 실험 물리학을 이끌도록 했다.[10] 1920년 11월 15일, 프랑크는 실험 물리학 교수이자 제2 실험 물리학 연구소 소장으로 임명되었으며, 정교수였다. 그는 두 명의 조교를 둘 수 있었고, 베를린에서 헤르타 슈포너를 데려와 그 중 한 자리를 채웠다. 포흘은 제1 연구소를 이끌며 강의를 담당했다.[10] 프랑크는 자신의 사비로 최신 장비를 갖춘 실험실을 개조했다.

보른과 프랑크 아래에서 괴팅겐은 1920년부터 1933년까지 세계 최고의 물리학 중심지 중 하나였다.[10] 비록 그들은 함께 세 편의 논문만을 발표했지만, 보른과 프랑크는 서로의 논문에 대해 모두 상의했다. 프랑크의 연구실에 들어가는 것은 매우 경쟁이 치열해졌다. 그의 박사 과정 학생으로는 한스 코퍼만, 아르투어 R. 폰 히펠, 빌헬름 한레, 프리츠 호이터만스, 하인리히 쿤, Werner Kroebel|베르너 크뢰벨de, 발터 로흐테-홀트그레벤, 하인츠 마이어-라이프니츠 등이 있었다. 프랑크는 박사 과정 지원자를 지도하면서 논문 주제가 잘 정의되었는지 확인하고, 지원자의 능력, 실험실 장비 및 연구소 예산의 한계 내에서 독창적인 연구를 수행하는 방법을 가르쳐야 했다. 그의 지휘 아래, 원자와 분자의 구조에 대한 연구가 수행되었다.

프랑크는 자신의 연구에서 프랑크-콘돈 원리로 알려진 것을 개발했는데, 이는 분광법과 양자 화학에서 진동 전이의 세기를 설명하는 규칙으로, 적절한 에너지의 광자의 흡수 또는 방출로 인한 분자의 전자 및 진동 에너지 준위의 동시 변화이다. 이 원리는 전자 전이 동안, 하나의 양자 진동 에너지 준위에서 다른 에너지 준위로의 변화는 두 진동 파동 함수가 더 크게 겹칠 경우 더 잘 일어날 것이라고 명시한다.[11] 이 원리는 이후 다양한 관련 현상에 적용되었다.

1926년에는 패러데이 협회 회보에 훗날 프랑크-콘돈 원리의 기초가 되는 논문을 발표했다.

이 기간 동안의 업적으로, 프랑크는 1929년에 미국 예술 과학 아카데미에 선출되었다.[12]

2. 4. 망명과 미국에서의 연구 활동 (1933년 ~ 1964년)

나치당이 1933년 3월 2일 선거에서 권력을 잡으면서, 독일에서 유대인 공무원과 정적을 해고하는 법이 제정되었다. 제1차 세계 대전 참전 용사였던 프랑크는 면제 대상이었지만, 1933년 4월 17일 이에 항의하며 사임했다.[13] 그는 유대인 유산을 자랑스럽게 생각했으며, 이 법에 항의하여 사임한 최초의 학자였다.[13][12] 전 세계 신문들이 이를 보도했지만, 어떤 정부나 대학도 항의하지 않았다.

프랑크는 1933년 11월 독일을 떠나기 전, 해고된 유대인 과학자들이 해외에서 일자리를 찾도록 도왔다. 존스 홉킨스 대학교에서 잠시 연구한 후, 코펜하겐의 닐스 보어 연구소에서 자리를 잡았다.[14] 그는 힐데 레비를 고용하여 증기 및 액체의 형광에 대한 연구를 계속했지만, 닐스 보어의 영향으로 광합성과 같은 생물학적 반응에도 관심을 갖게 되었다.[14] 그는 이 주제에 대해 레비와 두 편의 논문을 공동 저술했으며,[14][15] 수년 동안 이 연구로 돌아갈 것이다.

1935년, 프랑크는 존스 홉킨스 대학교 교수로 임용되어 미국으로 이주했다. 1938년에는 시카고 대학교의 제안을 받아들여 광합성 연구를 계속했다. 한스 가프론과 프링스하임이 그의 협력자가 되었다. 그는 1941년 7월 21일 귀화하여 미국 시민이 되었다.[9]

1942년 2월, 아서 H. 콤프턴은 시카고 대학교에 금속 연구소를 설립하고, 맨해튼 계획의 일환으로 원자로 건설 및 플루토늄 생성을 위한 연구를 시작했다. 프랑크는 화학부 책임자 및 정치/사회 문제 위원회 의장을 맡아 원자 폭탄의 사용에 대한 프랑크 보고서를 작성했다.[17] 이 보고서는 원자 폭탄을 경고 없이 일본 도시에 사용하지 않도록 권고했지만, 임시 위원회는 다르게 결정했다.

네 명의 노벨상 수상자. 1954년 닐스 보어와 알베르트 아인슈타인 사이에 있는 프랑크와 이자도어 아이작 라비


1946년, 프랑크는 헤르타 스포너와 재혼했다. 그는 전후 연구에서도 광합성 메커니즘을 설명하는 문제를 계속해서 다루었다.

노벨상 외에도, 프랑크는 1951년 독일 물리학회의 막스 플랑크 메달을, 1955년에는 광합성 연구로 미국 예술 과학 아카데미의 럼퍼드 메달을 수상했다. 그는 1953년에 괴팅겐의 명예 시민이 되었고, 1964년에는 왕립 학회의 외국인 회원(ForMemRS)으로 선출되었다.

그는 1964년 5월 21일 괴팅겐을 방문하던 중 심장마비로 갑자기 사망했으며, 첫 번째 아내와 함께 시카고에 묻혔다.

3. 주요 업적

막스 보른과 제임스 프랑크 아래에서 게팅겐 대학교는 1920년부터 1933년까지 세계 최고의 물리학 중심지 중 하나였다.[10] 비록 그들은 함께 세 편의 논문만을 발표했지만, 보른과 프랑크는 서로의 논문에 대해 모두 상의했다. 프랑크의 연구실에 들어가는 것은 매우 경쟁이 치열했다. 그의 지휘 아래, 원자와 분자의 구조에 대한 연구가 수행되었다. 그의 박사 과정 학생은 다음과 같다.


  • 한스 코퍼만
  • 아르투어 R. 폰 히펠
  • 빌헬름 한레
  • 프리츠 호이터만스
  • 하인리히 쿤
  • 발터 로흐테-홀트그레벤
  • 하인츠 마이어-라이프니츠


프랑크는 자신의 연구에서 프랑크-콘돈 원리로 알려진 것을 개발했는데, 이는 분광법과 양자 화학에서 진동 전이의 세기를 설명하는 규칙으로, 적절한 에너지의 광자의 흡수 또는 방출로 인한 분자의 전자 및 진동 에너지 준위의 동시 변화이다. 이 원리는 전자 전이 동안, 하나의 양자 진동 에너지 준위에서 다른 에너지 준위로의 변화는 두 진동 파동 함수가 더 크게 겹칠 경우 더 잘 일어날 것이라고 명시한다.[11] 이 원리는 이후 다양한 관련 현상에 적용되었다.

그는 전후 연구에서도 광합성 메커니즘을 설명하는 문제를 계속해서 다루었다.

노벨상 외에도, 프랑크는 1951년 독일 물리학회의 막스 플랑크 메달을, 1955년에는 광합성 연구로 미국 예술 과학 아카데미의 럼퍼드 메달을 수상했다. 그는 1953년에 괴팅겐의 명예 시민이 되었고, 1944년에는 미국 국립 과학 아카데미의 회원이 되었으며, 1964년에는 왕립 학회의 외국인 회원(ForMemRS)으로 선출되었다. 그는 또한 미국 철학 학회의 국제 회원이었다.

4. 수상 경력


  • 노벨 물리학상 (1925년)
  • 독일 물리학회(Deutsche Physikalische Gesellschaft) 막스 플랑크 메달 (1951년)
  • 럼포드 메달 (1955년)
  • 왕립학회 외국인 회원 (1964년)

참조

[1] 웹사이트 The Nobel Prize in Physics 1925 https://www.nobelpri[...] The Nobel Foundation 2015-06-16
[2] 논문 Über die Beweglichkeit der Ladungsträger der Spitzenentladung https://zenodo.org/r[...]
[3] 논문 Über Zusammenstöße zwischen Elektronen und Molekülen des Quecksilberdampfes und die Ionisierungsspannung desselben
[4] 논문 Franck and Hertz versus Townsend: A Study of Two Types of Experimental Error
[5] 논문 Über die Erregung der Quecksilberresonanzlinie 253,6 μμ durch Elektronenstöße
[6] 논문 Die Bestätigung der Bohrschen Atomtheorie im optimalen Spektrum durch Untersuchungen der unelastischen Zusammenstöße
[7] 웹사이트 Transformations of Kinetic Energy of Free Electrons into Excitation Energy of Atoms by Impacts Nobel Lecture https://www.nobelpri[...] The Nobel Foundation 1926-12-11
[8] 논문 April 1918: Five Future Nobel prize-winners inaugurate weapons of mass destruction and the academic-industrial-military complex 2004
[9] 웹사이트 Guide to the James Franck Papers 1882–1966 https://www.lib.uchi[...] University of Chicago 2015-06-18
[10] 웹사이트 James Franck – Biographical http://nobelprize.or[...] The Nobel Foundation 2015-06-16
[11] 논문 Elementary processes of photochemical reactions 1926
[12] 웹사이트 James Franck https://www.amacad.o[...] 2023-02-09
[13] 서적
[14] 논문 Zum Mechanismus der Sauerstoff-Aktivierung durch fluoreszenzfähige Farbstoffe
[15] 논문 Beitrag zur Untersuchung der Fluoreszenz in Flüssigkeiten
[16] 웹사이트 The Case of the Bottled Nobel medals http://www.gamma.nbi[...] Niels Bohr Institute 2015-06-20
[17] 논문 Physicists and the 1945 Decision to Drop the Bomb https://arxiv.org/ht[...] 2002-10-13
[18] 웹사이트 James Franck http://www.nasonline[...]
[19] 웹사이트 APS Member History https://search.amphi[...]
[20] 웹사이트 About the Institute http://jfi.uchicago.[...] James Franck Institute
[21] 웹사이트 Planetary Names: Crater, craters: Franck on Moon http://planetaryname[...] USGS and NASA


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