詹姆斯·弗兰克

1914 年春天，柏林的两位年轻物理学家把一束电子射进稀薄的汞蒸气，发现电子每攒够 4.9 电子伏的能量，就会一次性把这一份全交给汞原子。这是第一次用电学测量直接看到原子只收「整份」的能量。

两人给它的解释却是错的：他们以为 4.9 伏是汞的电离电压。半年前玻尔已经发表了定态与跃迁的原子模型，他们的论文里一个字也没提。十二年后站在斯德哥尔摩的讲台上，詹姆斯·弗兰克把这件事原原本本讲了出来。

汉堡的银行家之子

弗兰克 1882 年生于汉堡一个犹太银行家家庭。据他的学生 Kuhn 为英国皇家学会写的传记，他中学时不擅古典语言，被看作没什么出息的孩子；父亲送他去海德堡读法律与经济，好日后进家族生意，他却一心想学物理。据英文维基转引 Lemmerich 的传记，他在海德堡结识了同龄的玻恩，两人从此成了终身的朋友。

一年后他转去柏林大学，1906 年在埃米尔·瓦尔堡门下拿到博士，题目是气体放电中离子的迁移率。据诺贝尔传略，此后他在鲁本斯手下当助手，1911 年取得授课资格。气体里的带电粒子怎样运动、怎样与原子交换能量——这个问题贯穿了他一辈子。

1914：4.9 伏的台阶

弗兰克最重要的合作者是比他小五岁的古斯塔夫·赫兹。两人的实验装置很简单：热阴极放出电子，经栅极加速后穿过汞蒸气，再去克服一个小小的反向电压，打到收集极上。

加速电压从零往上调，收集到的电流先是随之上升；到约 4.9 伏突然跌落，然后再升，到约 9.8 伏又跌，如此每隔 4.9 伏重复一次。解读是：电子能量不到 4.9 电子伏时与汞原子只做弹性碰撞，几乎不丢能量；一旦够了，就在一次碰撞里交出整整 4.9 电子伏，剩下的能量翻不过反向电压。

$$e\,\Delta U = h\nu$$

据《德国物理学会会刊》的会议记录，第一篇论文由赫兹在 1914 年 4 月 24 日的学会例会上报告，第二篇由弗兰克在 5 月 22 日报告。第二篇报告：用 4.9 电子伏的电子轰击汞蒸气，发出的只有波长 2537 埃的一条紫外谱线，恰好等于 $hc/(e\,\Delta U)$。弗兰克在诺贝尔演讲里说，他们想到的是爱因斯坦对光电效应的解释：光能可以变成电子的动能，那电子的动能也许能变回光。

电离，还是激发

问题在于那 4.9 伏被当成了什么。弗兰克在诺贝尔演讲里承认，他们把这个值当成了汞的电离电压，用同样方法测出的氦约 20 伏也是如此看待。其实 4 月那篇论文已经写下了另一种可能：电子也许只把能量变成 2537 埃的光而不电离，两人还说这种可能「在量子理论上当然意义重大」；但他们根据高压汞蒸气在弱电场下就能放电等间接理由，结论是一部分碰撞电离、一部分发光。

1915 年，玻尔在《哲学杂志》上撰文指出，这个实验也许同样符合另一种假设：4.9 伏只对应于中性原子从基态跃迁到另一个定态。弗兰克在演讲里说，只发出单色光、气体并未同时电离这两点，是战时经玻尔本人和 van der Bijl 的提议才澄清的：勒纳德装置里的正电荷，其实是紫外光打在收集极上引起的光电效应，这一假设后来由美国的 Davis 与 Goucher 证实。汞真正的电离电压由 Tate 首次测得，约 10.3 伏，与玻尔理论从吸收线系极限算出的值吻合。

据 Lemmerich 的传记（英文维基转引），两人 1918 年 12 月完成最后一篇合作论文，1919 年在《物理学杂志》上发表，标题已经是「在光谱中证实玻尔原子理论」。弗兰克在诺贝尔演讲的结尾说，他们描述的是「许多条歧路与弯路」，直到信任了玻尔的引领，困难才全部消失。

战壕与毒气

一战爆发后，弗兰克与赫兹都上了前线。诺贝尔传略只写弗兰克服役、获一级铁十字勋章。

• 一方。 据 Van der Kloot 2004 年在《皇家学会纪要与记录》上的研究，发起毒气战的是一支含有五位未来诺贝尔奖得主的德军部队：弗兰克、哈伯、哈恩、赫兹与能斯特；他把这视为大规模杀伤性武器与学术-工业-军事复合体的开端。英文维基据 Lemmerich 的传记转述，弗兰克 1915 年初调入哈伯的新部队，与哈恩负责为施放氯气选择地点，后来在哈伯的研究所里参与研制防毒面具。
• 另一方。 Van der Kloot 在同一篇文章里也写道，双方在战争中都大量使用毒气，而毒气造成的死亡远少于炸药——许多人对此会感到意外。三十年后由弗兰克主持的委员会在 1945 年的报告里也写道：毒气比炸药更让人反感，有非理性的心理成分，毒气战绝不比炸弹和子弹的战争更「不人道」。

弗兰克本人对这段经历怎样看，现有材料里没有找到一手的表态。

哥廷根的黄金年代

战后，哈伯请弗兰克到柏林达勒姆的威廉皇帝物理化学研究所主持物理部。1920 年他应聘到哥廷根，出任实验物理教授、第二实验物理研究所所长；主持理论物理的是玻恩。据诺贝尔传略，1920 至 1933 年间哥廷根成为量子物理的中心，两人紧密合作。

诺贝尔传略列出的弗兰克学生与合作者里，有后来的诺贝尔奖得主布莱克特，有康登、奥本海默，也有日后在芝加哥与他同在一个委员会里的拉比诺维奇。

1925 年，他为解释碘分子被光解离的实验提出：电子跃迁发生得极快，原子核的位置和动量来不及变化。康登 1926 年把这个图像发展成能预言谱带强度的理论，这就是弗兰克-康登原理，至今仍是分子光谱与光化学的基本规则。

1933：第一个辞职的人

1933 年 4 月纳粹颁布《重设职业公务员法》，要把犹太人赶出公职。弗兰克作为一战前线老兵本可豁免，他却在 4 月 17 日致信校长与普鲁士文化部，请求解除教职。哥廷根大学的校史网页引他的话说：德国的犹太裔「被当作祖国的外人与敌人」。

据哥廷根大学的材料，弗兰克希望同事们效仿，但这个希望落空了：4 月 24 日，42 名哥廷根教员在报上发表公开声明，称他的请辞是一种「破坏行为」。同年他离开德国，先到巴尔的摩，再到哥本哈根玻尔的研究所待了一年，1935 年起在约翰斯·霍普金斯大学任教，1938 年转到芝加哥大学。

王水里的奖章

弗兰克把自己的诺贝尔奖章寄存在哥本哈根玻尔的研究所。1940 年 4 月德军占领丹麦时，那里还放着劳厄的奖章——在纳粹德国，把黄金送出境几乎是死罪，而奖章上刻着得主的名字。

诺贝尔基金会的网页引了化学家赫维西1962 年的回忆：他提议把奖章埋起来，玻尔不同意，怕被挖出来；「我决定把它溶掉。入侵的军队在哥本哈根街上行进的时候，我正忙着溶解劳厄的、还有詹姆斯·弗兰克的奖章。」金溶在王水里，瓶子留在研究所的架子上，德军搜查时没有发现。

所以动手溶解的是赫维西，不是玻尔；玻尔自己的奖章早在 1940 年 3 月就捐出去为芬兰赈灾拍卖了。据玻尔档案，玻尔 1950 年 1 月写信商量把金子交给瑞典皇家科学院；1952 年 1 月 31 日，弗兰克在芝加哥大学的仪式上领回了用原金重铸的奖章。

《弗兰克报告》

1941 年弗兰克入籍美国。次年康普顿在芝加哥大学组建冶金实验室，为曼哈顿计划生产钚，请他主持化学部。康普顿在回忆录里记下他的话：「我要对抗的不是德国人民，是纳粹。」（据英文维基转引 Compton 1956 年的回忆录）

德国投降后，弗兰克主持冶金实验室的「政治与社会问题委员会」，成员有 Hughes、Nickson、拉比诺维奇、西博格、Stearns 与西拉德。报告 1945 年 6 月 11 日完成，附在康普顿 6 月 12 日呈陆军部长的摘要之后。据美国国家档案馆藏本的转录，报告的主要论点是：

• 不加警告地对日本某个目标使用原子弹，会让世界难以相信美国愿意通过国际协议废除这种武器，并会引发一场没有止境的军备竞赛；
• 较好的做法是在联合国各国代表面前，在沙漠或荒岛上演示这种新武器；之后若能取得联合国与国内舆论的认可，并先向日本发出最后通牒，再考虑对日使用；
• 使用原子弹应当作长远的国家政策问题，而不是军事权宜来决定。

另一方的意见也在同一周写下。6 月 16 日，由奥本海默、费米、劳伦斯与康普顿组成的科学顾问小组向临时委员会提交建议，承认同事们的看法从单纯技术演示到直接军事使用不等，结论是：「我们提不出有可能结束战争的技术演示；除直接军事使用外，我们看不到可以接受的替代办法。」同时声明他们对原子能带来的政治、社会与军事问题并无特殊的判断资格。

8 月 6 日与 9 日，原子弹投在了广岛与长崎。诺贝尔传略把这份报告称为「科学家拒绝把科学用于毁灭的一座丰碑」，同时也写明它没有达到主要目的。

光合作用与最后的哥廷根

弗兰克在美国的后半生主要在研究光合作用。据英文维基转引 Lemmerich，他在哥本哈根时受玻尔影响开始关注荧光的生物学一面；到芝加哥后，这成了他的主业。1947 年荣休后，他仍主持芝加哥大学的光合作用研究组到 1956 年，1955 年因此获美国艺术与科学院的拉姆福德奖。

1946 年，他与昔日的哥廷根助手、物理学家赫塔·施波纳（Hertha Sponer）结婚。1953 年哥廷根授予他荣誉市民。1964 年 5 月 21 日，他在访问哥廷根期间去世，终年八十一岁。芝加哥大学后来把一个研究所以他命名。

迈特纳这样概括他一生的研究：从早年的离子迁移率到最后的光合作用，几乎是一条直线——始终是原子与分子之间的能量交换。（据英文维基转引 Rice 与 Jortner 为美国国家科学院写的传记）