Густав Людвиг Герц

Густав Людвиг Герц (нем. Gustav Ludwig Hertz) (22 июля 1887, Гамбург, Германская империя – 30 октября 1975, Берлин, ГДР) – немецкий физик, лауреат Нобелевской премии по физике 1925 года «за открытие законов соударения электрона с атомом» (совместно с Джеймсом Франком). Племянник знаменитого Генриха Герца.
Немецкий физик Густав Людвиг Герц родился в Гамбурге в семье адвоката Густава Герца и Аугусто (Арнинг) Герц. Его дядя Генрих Рудольф Герц был одним из наиболее выдающихся физиков конца XIX в. Получив среднее образование в гамбургском Йоганнеуми, Герц в 1906 поступил в Геттингенский университет, где изучал математику и математическую физику у Давида Гильберта и Карла Рунге. Затем он учился в Мюнхенском университете в 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 Герц защитил диссертацию в Берлинском университете об инфракрасное поглощение двуокиси углерода и получил докторскую степень.

Подробнее в статье Опыт Франка-Герца


В 1913 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 стала прямым подтверждением правильности модели атома, предложенной незадолго до того Нильсом Бором, хотя они еще не были с ней знакомы.
Согласно теории Бора, электроны могли вращаться вокруг ядра только по «разрешенным» орбитам, каждая из которых соответствует определенному энергетическому состоянию электрона. По Бором, электрон, поглощая дискретную порцию энергии, или квант, «перепрыгивает» на орбиту, что соответствует высшей энергии и расположенную дальше от ядра. При переходе же из высшей на низшую орбиту электрон излучает 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 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 структуры.
Прикладывая положительное напряжение к электроду, противоположного источника 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 столкновениями с атомами ртути. Было обнаружено, что потери энергии зневажно 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, то есть 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 заполнение вакансии. Основная проблема заключалась в том, что модель Бора предусматривала 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 потери внешнего электрона и его увлечения. Размер 4,9 вольта оказалась не потенциалом ионизации, а потенциалом возбуждения, т.е. энергией (или квантом), необходимой для сдвига 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, которые наблюдаются в спектре ртути. Удалось подтвердить и предусмотрено Бором значения потенциала ионизации. Герц и Франк стали первыми физиками, которым удалось непосредственно измерить энергию кванта.
Позже Франк признался, что они «не оценили фундаментальное значение теории Бора, настолько, что даже не вспомнили о ней в своей статье». Однако Бор и его единомышленники поняли всю важность экспериментов Герца и Франко и неоднократно ссылались на них в подтверждение своих идей.
В 1926 Герцу и Франку была присуждена Нобелевская премия по физике 1925 «За открытие законов соударения электрона с атомом». Представляя лауреатов, К. В. Озеен из Шведской королевской академии наук заметил: «Еще недавно никто и не думал о том, что атом может существовать в разных состояниях, каждый 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 немецкой армии. В 1915 Герц был тяжело ранен. После длительного лечения он в 1917 стал внештатным преподавателем Берлинского университета. С 1920 по 1925 Герц работал в физической лаборатории на заводе ламп накаливания фирмы «Филипс» в Эйндховене (Нидерланды). «Филипс» была одной из первых частных компаний, финансировала фундаментальные исследования. В 1925 Герц стал профессором физики университета в Галле и директором Физического института при том же университете. Три года спустя Герц вернулся в Берлин на должность директора Физического института при Шарлоттенбургском техническом университете. Из научных достижений Герц этого периода наиболее значительным является разработка газодифузийного метода разделения изотопов неона.
Когда в 1933 к власти в Германии пришли нацисты, Герц отказался принести присягу на верность фюреру и в 1934 был вынужден уйти в отставку. К концу второй мировой войны он работал директором научно-исследовательской лаборатории фирмы «Сименс и Гальске» в Берлине. Непонятно, почему Герцу, отец которого был евреем, а первая жена выступала против нацизма, разрешили занимать столь важный пост.
Марка ГДР, посвященная Густаву Герцу 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 Герц сказал своим друзьям, что уровень физических исследований в Америке очень высокий, но он чувствует, что был бы 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.
Возвращение Герца осенью 1954 года был частью подготовки Восточной Германии к разработке атомной промышленности. Герц возглавил подготовку и стал в 1955 году руководителем научного совета по мирному применению атомной энергии при совете министров ГДР. В этом совете была проведена вся подготовка по концентрации распыленных до институтов в одном новом Дрезденском центральном институте ядерных исследований.
В 1954 году Герц был профессором и директором физического института в Университете имени Карла Маркса в Лейпциге, членом Академии Наук ГДР и соучредителем исследовательского совета ГДР. В качестве директора Физического института при Лейпцигском университете Герц руководил строительством нового здания института вместо разрушенного во время войны. Занимал центральное место в развитии ядерной физики в ГДР посредством издания трехтомного учебника по ядерной физике.
В 1961 Герц вышел в отставку и поселился в Восточном Берлине, где прожил последние 14 лет своей жизни. В 1975 году умер в Берлине. Похоронен в семейной могиле на кладбище в Гамбурге.
В 1919 Герц женился на Эллен Дильман. У них родилось двое сыновей, оба впоследствии стали физиками. В 1943, через два года после смерти первой жены, он вступил во второй брак с Шарлоттой Йолласс. Герц был замкнутым человеком, и о его взглядах и захват 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.