Густав Герц. Физики - нобелевские лауреаты на сайте "Физика вокруг нас"

Густав Герц (Hertz)

(22.07.1887 г. – 30.10.1975 г.)

Нобелевская премия по физике, 1925 г. «за открытие законов соударения электрона с атомом» совместно с Джеймсом Франком

Немецкий физик Густав Людвиг Герц родился в Гамбурге в семье адвоката Густава Герца и Аугусты (Арнинг) Герц. Его дядя Рудольф Генрих Герц был одним из наиболее выдающихся физиков конца XIX в. Получив среднее образование в гамбургском Иоханнеуме, Герц в 1906 г. поступил в Геттингенский университет, где изучал математику и математическую физику у Давида Гильберта и Карла Рунге. Затем он учился в Мюнхенском университете у Арнольда Зоммерфельда, где познакомился с новой тогда квантовой теорией, и в Берлинском университете у Джеймса Франка и Роберта Поля. Там он заинтересовался экспериментальной физикой. В 1911 г. защитил диссертацию в Берлинском университете об инфракрасном поглощении двуокиси углерода и получил докторскую степень.

В 1913 г. Герц был назначен ассистентом в Физический институт при Берлинском университете, где вместе с Франком приступил к исследованию изменений энергии при столкновении атома с электроном. Их работа явилась прямым подтверждением правильности модели атома, предложенной незадолго до того Нильсом Бором, хотя они еще не были с ней знакомы.

Согласно теории Бора, электроны могли обращаться вокруг ядра только по «разрешенным» орбитам, каждая из которых соответствует определенному энергетическому состоянию электрона. По Бору, электрон, поглощая дискретную порцию энергии, или квант, «перепрыгивает» на орбиту, соответствующую более высокой энергии и расположенную дальше от ядра. При переходе же с более высокой на более низкую орбиту электрон испускает квант. Энергия кванта равна разности энергий орбит. Модель Бора позволила частично объяснить загадочные до того линейчатые спектры элементов. Когда экспериментатор возбуждает газ, например, пропуская через него электрический разряд, атомы сбрасывают излишки энергии в форме излучения – света. Атомы каждого элемента испускают свет определенных цветов, соответствующих характерным для данного элемента частотам и длинам волн. Спектроскоп позволяет разделить эти частоты и получить серию цветных линий, или линейчатый спектр, характерный для элемента. Основатель квантовой теории Макс Планк в 1900 г. доказал, что частота пропорциональна энергии кванта света. Таким образом, по теории Бора, каждая спектральная линия соответствует разности энергий между двумя орбитами. Тем самым линейчатые спектры служат своего рода ключами к атомной структуре.

Прикладывая положительное напряжение к электроду, противоположному источнику электронов, Герц и Франк ускоряли электроны (отрицательно заряженные частицы) в запаянной трубке. Электроны, максимальная кинетическая энергия которых известна (она равна произведению разности потенциалов и заряда электрона) и может регулироваться, пролетали сквозь сильно разреженные пары ртути. Другой электрод мог детектировать потерю энергии электронов, обусловленную соударениями с атомами ртути. Было обнаружено, что потери энергии пренебрежимо малы, пока разность потенциалов не достигает 4,9 вольта. Это открытие, показав, что энергия поглощается атомом только определенными порциями, подтвердило один из аспектов теории Бора. Аналогичные результаты были получены и для других газов, например гелия и неона. Герц и Франк вычислили частоту, соответствующую кванту с энергией, равной энергии электрона 4,9 электрон-вольта, и обнаружили, что она совпадает с частотой одной из линий линейчатого спектра ртути (в ультрафиолетовом диапазоне). Но поскольку теории Бора в то время «исполнилось» всего лишь несколько месяцев и многое в ней было еще неясно, Герц и Франк ошибочно интерпретировали 4,9 вольта как потенциал ионизации, т.е. как энергию, необходимую для выбивания электрона из атома. Потеря электрона нарушает нейтральность атома – баланс между отрицательными электронами вне ядра и положительными протонами в ядре – и приводит к возникновению положительно заряженного иона. Герц и Франк полагали, что ультрафиолетовая линия ртути испускается при захвате ионом электрона и заполнении вакансии. Основная проблема состояла в том, что модель Бора предсказывала потенциал ионизации в 10,36 вольта.

После некоторого замешательства было достигнуто лучшее понимание модели Бора, и тогда выяснилось, что линия, о которой идет речь, соответствовала переходу электрона между двумя нижними орбитами в спектральной серии, а не потере внешнего электрона и его захвату. Величина 4,9 вольта оказалась не потенциалом ионизации, а потенциалом возбуждения, т.е. энергией (или квантом), необходимой для возбуждения электрона – его перехода с одного энергетического уровня на другой, более высокий, без отрыва его от атома. Усовершенствовав технику эксперимента. Герц, Франк и другие исследователи измерили несколько других (более высоких) потенциалов возбуждения. Выяснилось, что полученные значения потенциалов соответствуют линиям, наблюдаемым в спектре ртути. Удалось подтвердить и предсказанное Бором значение потенциала ионизации. Герц и Франк стали первыми физиками, которым удалось непосредственно измерить энергию кванта.

Позднее Франк признался, что они «не оценили по достоинству фундаментальное значение теории Бора, настолько, что даже не упомянули о ней в своей статье». Однако Бор и его единомышленники поняли всю важность экспериментов Герца и Франка и неоднократно ссылались на них в подтверждение своих идей.

В 1926 г. Герцу и Франку была присуждена Нобелевская премия по физике 1925 г. «за открытие законов соударения электрона с атомом». Представляя лауреатов, К.В. Озеен из Шведской королевской академии наук заметил: «Еще недавно никто и не помышлял о том, что атом может существовать в различных состояниях, каждое из которых характеризуется определенным уровнем энергии, и что этими энергетическими уровнями определяются спектральные линии... Теория Бора выдвинула эти гипотезы; методы их экспериментальной проверки разработали Герц и Джеймс Франк».

Во время первой мировой войны Герц и Франк служили в германской армии. В 1915 г. Герц был тяжело ранен. После длительного лечения он в 1917 г. стал внештатным преподавателем Берлинского университета. С 1920 по 1925 г. Герц работал в физической лаборатории на заводе ламп накаливания фирмы «Филипс» в Эйндховене (Нидерланды). «Филипс» была одной из первых частных компаний, финансировавших фундаментальные исследования. В 1925 г. Герц стал профессором физики университета в Галле и директором Физического института при том же университете. Три года спустя Герц вернулся в Берлин на пост директора Физического института при Шарлоттенбургском техническом университете. Из научных достижений Герц этого периода наиболее значительным является разработка газодиффузионного метода разделения изотопов неона.

Когда в 1933 г. к власти в Германии пришли нацисты, Герц отказался принести клятву на верность фюреру и в 1934 г. был вынужден уйти в отставку. До конца второй мировой войны он работал директором научно-исследовательской лаборатории фирмы «Сименс и Хальске» в Берлине. Неясно, почему Герц, отец которого был евреем, а первая жена выступала против нацизма, разрешили занимать столь важный пост.

После войны Герц оказался в одной из групп немецких ученых, которые были отправлены в Советский Союз по контракту, заключенному на десять лет. Во время своего визита в Соединенные Штаты в 1939 г. Герц сказал своим друзьям, что уровень физических исследований в Америке весьма высок, но он чувствует, что был бы более полезен в Советском Союзе. Герц надеялся, что его семье удастся влиться в советское общество. Но и Герц, и другие немецкие ученые были изолированы в лабораторном комплексе. В Советском Союзе Герц возглавлял исследования по атомной энергии и радарам в лаборатории, которая находилась в Сухуми. Свой метод разделения изотопов он усовершенствовал настолько, что стало возможным проводить разделение в промышленных масштабах. В 1955 г. Герц возвратился в Лейпциг, где стал профессором Университета Карла Маркса. В качестве директора Физического института при Лейпцигском университете Герц руководил строительством нового здания института взамен разрушенного во время войны. В 1961 г. Герц вышел в отставку и поселился в Восточном Берлине, где прожил последние 14 лет своей жизни.

В 1919 г. Герц женился на Эллен Дильман. У них родились два сына, оба впоследствии стали физиками. В 1943 г., через два года после смерти первой жены, он вступил во второй брак с Шарлоттой Йолласс. Герц был замкнутым человеком, и о его взглядах и увлечениях мало известно, кроме того, что он был вполне профессиональным фотографом.

Помимо Нобелевской премии Герц был удостоен многих почетных наград, в том числе медали Макса Планка Германского физического общества и Ленинской премии правительства СССР. Герц был избран членом Немецкой академии наук в Берлине и Геттингенской академии наук, а также академий наук Венгрии, Чехословакии и Советского Союза.

Лауреаты Нобелевской премии: Энциклопедия: Пер. с англ.– М.: Прогресс, 1992.