Густав Герц

Фотографія Густав Герц (photo Gustav Herts)

Gustav Herts

  • День народження: 22.07.1887 року
  • Вік: 88 років
  • Місце народження: Гамбург, Німеччина
  • Рік смерті: 1975
  • Громадянство: Німеччина

Біографія

Коли 1933 р. до влади в Німеччині прийшли нацисти, Герц відмовився принести клятву на вірність фюреру і в 1934 р. був змушений піти у відставку. До кінця другої світової війни він працював директором науково-дослідної лабораторії фірми «Сіменс і Хальске» в Берліні. Неясно, чому Герцу, батько якого був євреєм, а перша дружина виступала проти нацизму, дозволили займати настільки важливий пост.

Німецький фізик Густав Людвіг Герц народився в Гамбурзі в родині адвоката Густава Герца і Аугусто (Арнинг) Герц. Його дядько Генріх Рудольф Герц був одним з найбільш видатних фізиків кінця XIX ст. Отримавши середню освіту в гамбурзькому Иоханнеуме, Р. в 1906 р. вступив до Геттінгенського університету, де вивчав математику і математичну фізику у Давида Гільберта і Карла Рунге. Потім він навчався в Мюнхенському університеті у Арнольда Зоммерфельда, де познайомився з новою тоді квантової теорії, і в Берлінському університеті у Джеймса Франка і Роберта Поля. Там він зацікавився експериментальною фізикою. У 1911 р. Р. захистив дисертацію в Берлінському університеті про інфрачервоне поглинання двоокису вуглецю і отримав докторський ступінь.

У 1913 р. Р. був призначений асистентом у Фізичний інститут при Берлінському університеті, де разом з Франком приступив до дослідження змін енергії при зіткненні з електроном атома. Їх робота є прямим підтвердженням правильності моделі атома, запропонованої незадовго до того Нільсом Бором, хоча вони ще не були з нею знайомі.

Згідно з теорією Бора, електрони могли обертатися навколо ядра тільки за «дозволеним» орбітах, кожна з яких відповідає певному енергетичного стану електрона. По Бору, електрон, поглинаючи дискретну порцію енергії, або квант, «перестрибує» на орбіту, відповідну більш високої енергії і розташовану далі від ядра. При переході з більш високих на більш низьку орбіту електрон випромінює квант. Енергія кванта дорівнює різниці енергій орбіт. Модель Бора дозволила частково пояснити загадкові до того лінійчаті спектри елементів. Коли експериментатор збуджує газ, наприклад, пропускаючи через нього електричний розряд, атоми скидають надлишки енергії у формі випромінювання світла. Атоми кожного елемента випускають світло певних кольорів, що відповідають характерним для даного елемента частот і довжин хвиль. Спектроскоп дозволяє розділити ці частоти і отримати серію кольорових ліній, або лінійчатий спектр, характерний для елемента. Засновник квантової теорії Макс Планк у 1900 р. довів, що частота пропорційна енергії кванта світла. Таким чином, потеории Бору, кожна спектральна лінія відповідає різниці енергій між двома орбітами. Тим самим лінійчаті спектри служать свого роду ключами до атомної структурі.

Прикладаючи позитивне напруга до електрода, протилежного джерела електронів, Р. і Франк прискорювали електрони (негативно заряджені частинки) в запаяній трубці. Електрони, максимальна кінетична енергія яких відома (вона дорівнює добутку різниці потенціалів і заряд електрона) і може регулюватися, пролітали крізь сильно зріджені пари ртуті. Інший електрод міг детектувати втрату енергії електронів, обумовлену зіткненнями з атомами ртуті. Було виявлено, що втрати енергії пренебрежимо малі, поки різниця потенціалів не сягає 4,9 вольта. Це відкриття, показавши, що енергія поглинається атомом тільки певними порціями, підтвердило один з аспектів теорії Бора. Аналогічні результати були отримані і для інших газів, наприклад гелію і неону. Р. і Франк вирахували частоту, відповідну кванту з енергією, рівною енергії електрона 4,9 електрон-вольта, і виявили, що вона збігається з частотою однієї з ліній лінійчатого спектру ртуті (в ультрафіолетовому діапазоні). Але оскільки теорії Бора в той час виповнилося лише кілька місяців і багато в ній було ще неясно, Р. і Франк помилково інтерпретували 4,9 вольта як потенціал іонізації, тобто як енергію, необхідну для вибивання електрона з атома. Втрата електрона порушує нейтральність атома – баланс між негативними електронами поза ядра і позитивними протонами в ядрі – і призводить до виникнення позитивно зарядженого іона. Р. і Франк вважали, що ультрафіолетова лінія ртуті випускається при захопленні електрона іоном і заповнення вакансії. Основна проблема полягала в тому, що модель Бора пророкувала потенціал іонізації в 10,36 вольта.

Після деякого замішання було досягнуто краще розуміння моделі Бора, і тоді з’ясувалося, що лінія, про яку йде мова, відповідала переходу електрона між двома нижніми орбітами у спектральної серії, а не втрати зовнішнього електрона і його захоплення. Величина 4,9 вольта виявилася не потенціалом іонізації, а потенціалом збудження, тобто енергією (або квантом), необхідної для збудження електрона – його переходу з одного енергетичного рівня на інший, більш високий, без відриву його від атома. Удосконаливши техніку експерименту. Р., Франк і інші дослідники виміряли кілька інших (вищих) потенціалів збудження. З’ясувалося, що отримані значення потенціалів відповідають лініям, що спостерігаються в спектрі ртуті. Вдалося підтвердити і передбачене Бором значення потенціалу іонізації. Р. і Франк стали першими фізиками, яким вдалося безпосередньо виміряти енергію кванта.

Пізніше Франк зізнався, що вони «не оцінили по достоїнству фундаментальне значення теорії Бора, настільки, що навіть не згадали про неї у своїй статті». Однак Бор і його однодумці зрозуміли всю важливість експериментів Р. і Франка і неодноразово посилалися на них в підтвердження своїх ідей.

У 1926 р. Р. і Франка була присуджена Нобелівська премія з фізики 1925 р. «за відкриття законів зіткнення електрона з атомом». Представляючи лауреатів, К. В. Озеен з Шведської королівської академії наук зауважив: «Ще недавно ніхто й не думав про те, що атом може існувати в різних станах, кожне з яких характеризується певним рівнем енергії, і що цими енергетичними рівнями визначаються спектральні лінії… Теорія Бора висунула ці гіпотези; методи їх експериментальної перевірки розробили Р. і Джеймс Франк».

Під час першої світової війни Р. і Франк служили в німецькій армії. У 1915 р. був важко поранений. Після тривалого лікування він 1917 р. став позаштатним викладачем Берлінського університету. З 1920 по 1925 р. Р. працював у фізичній лабораторії на заводі ламп розжарювання фірми «Філіпс» в Ейндховені (Нідерланди). «Філіпс» була однією з перших приватних компаній, які фінансували фундаментальні дослідження. У 1925 р. став професором фізики університету в Галле і директором Фізичного інституту при тому ж університеті. Три роки потому Р. повернувся до Берліна на посаду директора Фізичного інституту при Шарлоттенбургском технічному університеті. З наукових досягнень Р. цього періоду найбільш значною є розробка газодиффузионного методу розділення ізотопів неону.

Коли 1933 р. до влади в Німеччині прийшли нацисти, Р. відмовився принести клятву на вірність фюреру і в 1934 р. був змушений піти у відставку. До кінця другої світової війни він працював директором науково-дослідної лабораторії фірми «Сіменс і Хальске» в Берліні. Неясно, чому Р., батько якого був євреєм, а перша дружина виступала проти нацизму, дозволили займати настільки важливий пост.

Після війни Р. опинився в одній із груп німецьких вчених, які були відправлені в Радянський Союз за контрактом, укладеним на десять років. Під час свого візиту в Сполучені Штати в 1939 р. Р. сказав своїм друзям, що рівень фізичних досліджень в Америці досить високий, але він відчуває, що був би більш корисний в Радянському Союзі. Р. сподівався, що його родині вдасться влитися в радянське суспільство. Але і Р., і інші німецькі вчені були ізольовані в лабораторному комплексі. У Радянському Союзі Р. очолював дослідження з атомної енергії і радарам в лабораторії, яка перебувала в Сухумі. Свій метод розділення ізотопів він удосконалив настільки, що стало можливим проводити поділ в промислових масштабах. У 1955 Р. повернувся в Лейпциг, де став професором Університету Карла Маркса. В якості директора Фізичного інституту при Лейпцігському університеті Р. керував будівництвом нової будівлі інституту замість зруйнованого під час війни. У 1961 р. вийшов у відставку і оселився в Східному Берліні, де прожив останні 14 років свого життя.

У 1919 р. Р. одружився з Елен Дильман. У них народилися два сини, обидва згодом стали фізиками. У 1943 р., через два роки після смерті першої дружини, він вступив у другий шлюб з Шарлоттою Йолласс. Р. був замкнутою людиною, і про його погляди та захоплення мало що відомо, крім того, що він був цілком професійним фотографом.

Крім Нобелівської премії Р. був удостоєний багатьох почесних нагород, в тому числі медаль Макса Планка Німецького фізичного товариства і Ленінської премії уряду СРСР. Р. був обраний членом Німецької академії наук в Берліні і Геттингенской академії наук, а також академій наук Угорщини, Чехословаччини та Радянського Союзу.