James Franck คือ นักฟิสิกส์อะตอมชาวเยอรมัน ผู้มีชื่อเสียงมากที่สุดคนหนึ่งในคริสต์ศตวรรษที่ 20 นักเรียนทุกคนที่เรียนฟิสิกส์ระดับมัธยมศึกษาจะรู้เรื่องการทดลองของ Franck กับ Hertz ที่ทำให้คนทั้งสองได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 1925 ส่วนนิสิตมหาวิทยาลัย (บางคน) ก็จะรู้เกี่ยวกับหลักการของ Franck-Condon ในเรื่องฟิสิกส์ของอะตอม
Franck เกิดที่เมือง Hamburg ในปี 1882 ครอบครัวเป็นชนชั้นกลางที่มีสัญชาติยิว บรรพบุรุษของตระกูลได้อพยพมาจากโปรตุเกส เมื่ออายุ 13 ปี Franck ได้อ่านข่าวการพบรังสีเอ็กซ์ โดย Wilhelm Röntgen เขารู้สึกตื่นเต้นในความมหัศจรรย์ของรังสีที่ตามองไม่เห็นนี้ ถึงขนาดเมื่อประสบอุบัติเหตุแขนเดาะ Franck ได้ไปที่ห้องปฏิบัติการเพื่อให้เจ้าหน้าที่ถ่ายภาพเอ็กเรย์ให้เมื่อวันที่ 7 เมษายน ปี 1896 นี่จึงเป็นการวิเคราะห์สุขสภาพของกระดูกครั้งแรกที่มีการใช้รังสีเอ็กซ์
แม้ Franck จะสนใจวิทยาศาสตร์มากสักเพียงใดตั้งแต่เด็ก แต่บิดาซึ่งประสบความสำเร็จในธุรกิจธนาคารก็ไม่สนับสนุนให้ลูกชายมีอาชีพเป็นนักฟิสิกส์ เพราะเห็นว่าไม่มีทางที่จะร่ำรวยได้ ดังนั้น Franck จึงต้องสอบเข้ามหาวิทยาลัย Heidelberg และตั้งใจว่าจะเรียนนิติศาสตร์ แต่ก็ลองไปเรียนเคมีเพราะไม่ชอบนิติศาสตร์เลย และเรียนฟิสิกส์กับคณิตศาสตร์ควบคู่ไปด้วย โดยมี Max Born (รางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 1954) เป็นเพื่อนร่วมชั้นเรียนหนุ่มทั้งสองไม่ชอบวิธีสอนวิทยาศาสตร์ของอาจารย์ที่มหาวิทยาลัย Heidelberg เลย Franck จึงลาไปเรียนเคมีที่มหาวิทยาลัย Friedrich-Wilhelms ในกรุง Berlin ส่วน Born ไปเรียนคณิตศาสตร์ที่มหาวิทยาลัย Göttingen
ขณะเรียนที่ Berlin นิสิต Franck ได้เข้าฟัง Max Planck (รางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 1918) สอนกลศาสตร์ ความร้อน เสียง ไฟฟ้า และแม่เหล็ก การสอนที่ดีมากของ Planck ทำให้ Franck อยากเรียนฟิสิกส์เป็นที่สุด จึงขออนุญาตบิดาเปลี่ยนวิชาเอก โดยให้เหตุผลว่า ถ้าไม่ได้เรียนฟิสิกส์ ลูกจะไม่มีความสุขเลยจนตลอดชีวิต ยิ่งเมื่อได้เข้าฟังสัมมนาที่ Albert Einstein (รางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 1921) และ Walther Nernst (รางวัลโนเบลสาขาเคมีปี 1920) บรรยาย Franck ก็ยิ่งเชื่อว่า การตัดสินใจเปลี่ยนวิชาเอกของเขาถูกต้องแล้ว Franck เริ่มทำวิทยานิพนธ์เรื่อง สภาพเคลื่อนที่ได้ (mobility) ของไอออนในหลอดปล่อยประจุ (discharge tube) ซึ่งเป็นการศึกษาพื้นฐานที่นำไปสู่การทดลองที่ทำให้ได้รับรางวัลโนเบลในที่สุด
หลังจากที่สำเร็จการศึกษาระดับดุษฎีบัญฑิตในปี 1906 Franck ยังทำงานต่อเป็นนักวิจัยหลังปริญญาเอกที่ Berlin เพื่อตรวจสอบให้รู้ว่าปรากฏการณ์ควอนตัมจะเกิดในกระบวนการเปลี่ยนแปลงของอะตอมด้วยหรือไม่
ในปี 1907 Franck วัย 25 ปี ได้สมรสกับ Ingrid Josephson ซึ่งเป็นชาวสวีเดนและมีบุตรสาว 2 คน
ในการทำงานวิจัยฟิสิกส์หลังปริญญาเอก Franck ต้องการจะรู้ว่า ถ้าผ่านกระแสไฟฟ้า (อิเล็กตรอน) ไปในหลอดแก้วที่บรรจุไอปรอท อะไรจะเกิดขึ้น ในการทำงานวิจัยนี้ เขามี Gustav Hertz ช่วย (Gustav คือหลานของ Heinrich Hertz ซึ่งได้ทดลองยืนยันว่า แสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดหนึ่ง) ในงานวิจัยนั้น Franck กับ Hertz ได้พบว่า เมื่อความต่างศักย์เพิ่มกระแสไฟฟ้าจะเพิ่มตาม จนกระทั่งถึงความต่างศักย์ค่าหนึ่ง แล้วกระแสจะตก จากนั้นเมื่อเพิ่มความต่างศักย์ต่อไปอีก กระแสก็จะเพิ่มอีก แล้วก็จะตกอีก ช่วงศักย์ไฟฟ้าที่ทำให้กระแสตกนี้มีค่า 4.9 โวลท์
ในเบื้องต้นทั้งสองคนคิดว่า พลังงาน 4.9 อิเล็กตรอนโวลท์ คือ พลังงานในการแตกตัวเป็นไอออนของอะตอมปรอท เพราะคนทั้งสองไม่ได้อ่านทฤษฎีอะตอมไฮโดรเจนที่ Bohr นำเสนอ จึงไม่ได้ผูกโยงผลการทดลองที่ได้กับทฤษฎีของ Bohr แต่เมื่อได้อ่านทฤษฎีของ Einstein ในการอธิบายปรากฏการณ์ photoelectric Franck กับ Hertz ก็ตระหนักในทันทีว่า พลังงาน 4.9 eV ที่วัดได้นั้น คือ พลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนที่สูญเสียไป เพื่อกระตุ้นอะตอมปรอทให้อยู่ในสถานะถูกกระตุ้น ดังนั้นเวลาอะตอมกลับสู่สถานะพื้นฐาน จะมีแสงที่มีความยาวคลื่น 253.6 นาโนเมตรออกมา ซึ่งเป็นรังสีอัลตราไวโอเลต ดังที่ Robert Wood เห็น
Franck รู้สึกยินดีมากกับผลการทดลองนี้ เพราะรู้ว่านี่เป็นอีกเทคนิคหนึ่งที่สามารถใช้หาค่าคงตัวของพลังค์ได้ และค่าที่ได้จากวิธีนี้น่าเชื่อถือกว่าค่าที่วัดได้จากกรณีการแผ่รังสีของวัตถุร้อน นอกจากนี้การทดลองของ Franck กับ Hertz ยังยืนยันอีกว่า แบบจำลองอะตอมของ Bohr ที่ให้อิเล็กตรอนในอะตอมมีพลังงานได้หลายค่า และทุกค่าเป็นค่าจำกัดนั้นเป็นแบบจำลองที่ถูกต้องทุกประการ
เมื่อเกิดสงครามโลกครั้งที่ 1 ในเดือนสิงหาคม ค.ศ.1914 Franck ได้เข้ารับราชการทหารและถูกส่งไปปฏิบัติการที่ชายแดนทางตอนเหนือของฝรั่งเศส โดยให้อยู่ใต้บังคับบัญชาของ Fritz Haber (รางวัลโนเบลสาขาเคมี ปี 1918) ในโครงการใช้แก๊สพิษฆ่าศัตรู ถึงปี 1916 Franck ก็ได้ข่าวว่า ได้รับแต่งตั้งให้ดำรงศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัย Friedrich-Wilhelm ที่เคยเรียนจึงขอลาออกจากสังกัดหน่วยแก๊สสังหาร เพื่อไปวิจัยการใช้หน้ากากป้องกันแก๊สพิษแทน เพราะได้ล้มป่วยด้วยโรคเยื่อหุ้มปอดอักเสบ
ในปลายปี 1918 เมื่อสงครามโลกครั้งที่หนึ่งยุติ Franck และ Hertz ได้ตีพิมพ์งานวิจัย เรื่องการแตกตัวเป็นไอออนและการกระตุ้นในอะตอมของแก๊ส ถึงปี 1926 Franck ก็ได้แถลงความสัมพันธ์ระหว่างการเปลี่ยนพลังงานของอิเล็กตรอนเวลาโมเลกุลที่มีอะตอมคู่ถูกกระตุ้น หลักการนี้ได้รับการเสริมโดย Edward Condon ซึ่งใช้กลศาสตร์ควอนตัมอธิบายจนเป็นที่ยอมรับกันในนาม “หลักการของ Franck-Condon” ที่มีความสำคัญมากในการศึกษาสเปกตรัมที่เกิดจากการกระตุ้นโมเลกุล
หลังสงครามโลกชาวเยอรมันต้องใช้ชีวิตอย่างยากลำบากมาก ความขัดแย้งได้เกิดในสังคมเพราะพวกนาซี และพวกขวาจัดกล่าวหาว่า การที่เยอรมนีแพ้สงคราม เพราะถูกชาวยิวทรยศหักหลัง ถึงแม้ประเทศจะประสบภาวะเงินเฟ้อเพียงใด Franck กับเพื่อนๆ ก็ยังทำงานวิจัยต่อไปได้ ในปี 1920 ที่ Niels Bohr (รางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 1922) เดินทางมา Berlin เพื่อมาสังเกตการทดลองของ Franck ที่ยืนยันความถูกต้องของทฤษฎีของ Bohr คนทั้งสองจึงสนิทสนมกันมาก และ Bohr ได้เชื้อเชิญให้ Franck ไปจัดตั้งห้องปฏิบัติการฟิสิกส์ที่สถาบันของ Bohr ในเดนมาร์ก
แต่ในขณะนั้น Franck ได้รับแต่งตั้งเป็นศาสตราจารย์ฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัย Göttingen แล้ว ด้วยความช่วยเหลือของ Max Born เพื่อนเก่า Franck จึงไม่ไป Copenhagen เพราะที่ Göttingen มีนักคณิตศาสตร์ที่มีชื่อเสียงมากมาย เช่น David Hilbert, Richard Courant และ Carl Runge จึงมีบรรยากาศวิชาการที่ดีกว่า และเป็นศูนย์รวมของปราชญ์ ซึ่งต่างก็ทำงานโดยได้รับทุนสนับสนุนการวิจัยจากอุตสาหกรรมและเอกชน (มิใช่จากรัฐบาล ทั้งนี้เพราะรัฐบาลไม่มีงบประมาณจะให้) ครั้นเมื่อมูลนิธิ Rockefeller ได้เข้ามาสนับสนุนเรื่องทุน มหาวิทยาลัย Göttingen จึงมีนักวิจัยอัจฉริยะหนุ่มๆ มาร่วมกันทำงานหลายคน เช่น Werner Heisenberg (รางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 1932) Wolfgang Pauli (รางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 1945) Paul Dirac (รางวัลโนเบลฟิสิก์ปี 1933) นอกจากนี้ก็มี J.Robert Pooenheimer และ Edward Teller (ซึ่งเป็นบิดาของระเบิดปรมาณู และระเบิดไฮโดรเจนตามลำดับ) ด้วย
ในปี 1926 Franck กับ Hertz ได้ทราบข่าวว่าเป็นผู้พิชิตรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 1925 ทั้งๆ ที่ Bohr ได้เสนอชื่อ Franck อย่างต่อเนื่องมาทุกปีตั้งแต่ปี 1921 ข่าวนี้ทำให้นิสิตมหาวิทยาลัย Göttingen ยินดีมากถึงกับจัดขบวนแห่คบเพลิงเดินมาที่บ้านของ Franck เพื่อแสดงความยินดี แม้ว่าขณะนั้นกองทัพนาซีจะทวีความเข้มแข็งขึ้นทุกวัน และทหารห้ามการเดินขบวน แต่สถาบันฟิสิกส์ที่ Göttingen ก็ยังเป็นพื้นที่ปลอดการเมือง
หลังจากที่ได้รับรางวัลโนเบล ในปี 1932 Franck ก็ได้ข่าวว่ากำลังจะขึ้นครองตำแหน่งผู้อำนวยการของสถาบัน Principal Institute ที่ Berlin แทน Nernst แต่คำสั่งแต่งตั้งนี้ก็ถูก Hitler ยกเลิก เพราะ Franck มีสัญชาติยิว Franck จึงขอลาออกจากตำแหน่งที่ Göttingen เพื่อประท้วงการกดขี่ยิวของนาซี และเมื่อหนังสือพิมพ์รายงานข่าวลาออก หนังสือพิมพ์นั้นก็ถูก Hitler สั่งปิดทันที
เหตุการณ์นี้ทำให้บรรดาเพื่อนๆ ของ Franck ในอเมริกา อังกฤษ เนเธอร์แลนด์ ตุรกี และเดนมาร์ก ต่างก็ได้เขียนจดหมายเชิญ Franck ไปทำงานด้วย จนกระทั่งปี 1933 Franck ก็ได้ตอบรับคำเชิญชอง Bohr ให้ไปทำงานที่ Copenhagen และ Franck ได้เปลี่ยนสนามวิจัยไปศึกษาเรื่องการสังเคราะห์อาหารของพืชด้วยแสง (photosynthesis)
ในปี 1935 เมื่อมหาวิทยาลัย John Hopkins ในอเมริกาเสนอตำแหน่งศาสตราจารย์ให้อีก Franck ผู้รู้สึกต้องการหนีจากกำลังนาซีไปให้ไกล จึงตอบตกลง แต่ก็ทำงานที่ Hopkins ได้ไม่นาน เพราะมหาวิทยาลัยไม่มีทุนให้วิจัย Franck จึงไปรับตำแหน่งใหม่ที่มหาวิทยาลัย Chicago และ Franck ก็ทำวิจัยเรื่องการสังเคราะห์อาหารด้วยแสงต่อ โดยได้ศึกษาอิทธิพลของแสง ปริมาณ CO2 และอุณหภูมิต่อการสร้างอาหารของพืช
ในช่วงเวลาที่อยู่ที่ Chicago Franck ได้ทำงานวิจัยด้านฟิสิกส์ของแข็งร่วมกับ Teller เรื่องการดูดกลืนแสงโดยผลึก งานชิ้นนี้ได้วางรากฐานของทฤษฎี exciton และ Franck กับ Teller ผู้ได้ใช้แนวคิดเรื่อง exciton อธิบายว่า แสงสีฟ้าสามารถกระตุ้น chlorophyll ให้ทำงานได้อย่างไร ในที่สุด Franck ก็ยอมรับว่า ชีววิทยาแตกต่างจากฟิสิกส์มาก เพราะในฟิสิกส์ คำตอบที่ง่ายที่สุดจะเป็นคำตอบที่ถูก แต่ในชีววิทยาเหตุการณ์กลับตรงกันข้าม เพราะธรรมชาติจะใช้วิธีที่ซับซ้อนในการปิดบังคำตอบ จะอย่างไรก็ตาม ในที่สุดผลงานของ Franck ในเรื่องนี้ก็ได้ทำให้ Franck ได้รับรางวัล Rumford Prize ของ American Academy of Arts and Science ในปี 1955
เหตุการณ์ที่ญี่ปุ่นโจมตี Pearl Harbor ในเดือนธันวาคม ค.ศ.1941 ได้มีผลให้สหรัฐฯ ประกาศเข้าร่วมสงครามโลกครั้งที่ 2 นักฟิสิกส์อเมริกันได้ถูกระดมกำลังเข้าร่วมโครงการสร้างระเบิดปรมาณู และเรดาร์โดยมี Arthur Compton (รางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 1927) เป็นหัวหน้าหน่วยวิจัยชื่อ Metallurgical Laboratory ของโครงการ Manhattan และ Compton ได้ขอให้ Franck ทำหน้าที่เป็นหัวหน้าสาขาเคมีที่ห้องปฏิบัติการ ณ มหาวิทยาลัย Chicago ซึ่ง Franck ก็ตอบรับ ภายใต้เงื่อนไขว่า “ก่อนที่สหรัฐจะใช้ระเบิดจริง Franck ขอเข้าชี้แจงเหตุผลต่างๆ ด้วยตนเองต่อหน้าท่านประธานาธิบดีสหรัฐฯ”
งานที่ Franck ทำในโครงการ Manhattan ส่วนใหญ่เป็นงานบริหาร เพราะงานเคมีจริงๆ Glenn Seaborg (รางวัลโนเบลสาขาเคมีปี 1951) เป็นคนกำกับ
ในปี 1944 เมื่อฝ่ายสัมพันธมิตรเริ่มได้เปรียบในสงครามและงานสร้างระเบิดปรมาณูที่ห้องปฏิบัติการของ Compton ก็ใกล้จะลุล่วงแล้ว นักวิทยาศาสตร์ทุกคนที่ร่วมในโครงการตระหนักว่า ผลกระทบที่จะเกิดจากการมีระเบิดปรมาณูจะมากมหาศาล ไม่ว่าจะเป็นด้านสงครามหรือด้านการเมือง
หลังจากที่กองทัพนาซีพ่ายแพ้ในเดือนพฤษภาคม ค.ศ.1945 ถึงวันที่ 11 มิถุนายนในปีเดียวกัน Franck ก็ได้นำเสนอรายงานที่เขียนว่า “การแข่งขันสร้างระเบิดปรมาณูจะเกิดขึ้นระหว่างสหรัฐกับรัสเซีย และถ้าเป็นไปได้ก็ขอให้กองทัพสหรัฐสาธิตอิทธิฤทธิ์ของระเบิดปรมาณูในที่ๆ ไม่มีมนุษย์อาศัยอยู่ แทนที่จะใช้โจมตีญี่ปุ่นโดยที่คนญี่ปุ่นไม่รู้ตัวล่วงหน้า
รายงานของ Franck ไม่ได้ถูกนำเสนอในทันทีทันใด เพราะก่อนนั้นในเดือนเมษายน 1945 ท่านประธานาธิบดี Roosevelt ได้ถึงแก่กรรม และ Compton ได้รับเลือกเป็นที่ปรึกษาคนหนึ่งของประธานาธิบดี Harry Truman ซึ่งจะให้ความเห็นเรื่องระเบิดปรมาณูร่วมกับนักฟิสิกส์อื่นๆ เช่น Oppenheimer, Ernst Lawrence (รางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 1939) และ Enrico Fermi (รางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 1938) และคณะที่ปรึกษาได้พยายามนำรายงานของ Franck เสนอต่อรัฐมนตรีกลาโหม Henry Stimson แต่ท่านรัฐมนตรีไม่อยู่เพราะเดินทางไปต่างจังหวัด
ดังนั้น Compton จึงทิ้งบันทึกแปะติดหน้ารายงานว่า “ถ้าใช้ระเบิดปรมาณู สงครามจะสิ้นสุดเร็ว เพราะการสู้รบจะไม่ยืดเยื้อไปอีกนาน” และชีวิตของประชาชนนับล้านจะไม่สูญเสีย ท่านประธานาธิบดี Truman เห็นด้วยกับการใช้ระเบิดปรมาณูที่ Hiroshima และ Nagasaki เพื่อยุติสงครามในทันที
คำพยากรณ์ของ Franck เกี่ยวกับการแข่งขันสร้างระเบิดปรมาณูเป็นจริง เพราะเมื่อปี 1960 สหรัฐมีระเบิดปรมาณูประมาณ 30,000 ลูก และอีก 20 ปีต่อมารัสเซียก็สามารถสร้างระเบิดได้ในจำนวนมากเท่า
หลังสงครามโลกครั้งที่ 2 Franck ได้เริ่มช่วยเหลือเพื่อนๆ ที่ถูกฝ่ายนาซีรังแก ในการอพยพออกจากเยอรมนี และได้ขอให้นานาชาติช่วยเหลือชาวเยอรมันทั่วไป เพราะหลังสงครามคนเหล่านี้กำลังตกอยู่ในสภาพขาดแคลนอาหาร จนทารกเกิดใหม่ต้องเสียชีวิตประมาณ 80-90% Franck ยังได้ขอให้ Einstein เข้าร่วมในโครงการนี้ด้วย แต่ Einstein ปฏิเสธ เพราะไม่ต้องการข้องเกี่ยวกับคนเยอรมันอีก
ในปี 1947 มหาวิทยาลัย Heidelberg ในเยอรมนีได้เสนอตำแหน่งศาสตราจารย์ให้ Franck แต่เขาปฏิเสธ และบอกว่าบ้านใหม่ของ Franck คืออเมริกาแล้ว แต่เขาก็ยังตอบรับเป็นสมาชิกของสมาคม Max Placnk และในปี 1951 Franck และ Hertz ก็ได้รับเหรียญ Max Planck ถึงปี 1964 Franck ได้หวนกลับไปเยี่ยมเพื่อนเก่าที่ยังพำนักอยู่ในเยอรมนี โดยไปที่ Göttingen เพื่อเยี่ยม Otto Hahn (รางวัลโนเบลเคมีปี 1944) และ Max Born
ในวันที่ 21 พฤษภาคม ค.ศ.1964 หลังจากที่ได้ออกไปรับประทานอาหารเย็นกับ Hahn Franck ได้ล้มลง และเสียชีวิตด้วยโรคหัวใจวาย สิริอายุ 81 ปี
ในหนังสือ Science and Conscience: The Life of James Franck ที่ Jost Lemmerich เรียบเรียง และ A.M. Hentschel แปล ซึ่งจัดพิมพ์โดย Stanford University Press ในปี 2011 ผู้เขียนได้รวบรวมชีวประวัติของ Franck อย่างละเอียด โดยการไปสัมภาษณ์คนที่รู้จัก Franck ดี ศึกษางานวิจัยและจดหมายที่ Franck เขียนถึงเพื่อนๆ เช่น Born, Bohr, Einstein และ Lise Meitner ฯลฯ
จุดเด่นของงานเขียนนี้คือ การชี้ให้เห็นจิตสำนึกของ Franck ในการลาออกจากมหาวิทยาลัย Göttingen และในการเขียน Franck Report รวมถึงทัศนคติที่ Franck มีต่อประเทศบ้านเกิดหลังสงครามโลกครั้งที่ 2 ด้วย
เกี่ยวกับผู้เขียน
สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์
