James Franck: Il fisico che avvertì per primo

L'11 giugno 1945, un gruppo di scienziati al lavoro sulla bomba atomica americana firmò un documento in cui supplicava il proprio governo di non usarla senza preavviso. "Se gli Stati Uniti fossero i primi a scatenare questo nuovo mezzo di distruzione indiscriminata sull'umanità", scrissero, "sacrificherebbero il sostegno dell'opinione pubblica in tutto il mondo e precipiterebbero la corsa agli armamenti". Il rapporto porta il nome dell'uomo che presiedette il comitato — un premio Nobel che aveva già rinunciato a una cattedra per principio dodici anni prima, e che aveva dedicato la sua carriera a dimostrare che gli atomi accettano energia solo in quantità esatte.

Amburgo, Heidelberg, Berlino

Franck nacque il 26 agosto 1882 ad Amburgo. Frequentò il Wilhelm Gymnasium, poi studiò chimica a Heidelberg prima di passare alla fisica a Berlino, dove studiò con Emil Warburg e Paul Drude. Conseguì il dottorato a Berlino nel 1906, lavorò brevemente come assistente a Francoforte e tornò a Berlino per lavorare con Heinrich Rubens. Nel 1911 insegnava fisica all'Università di Berlino, diventando professore associato e ricoprendo l'incarico fino al 1918, con un'interruzione per il servizio militare nella Prima Guerra Mondiale.

Elettroni e atomi

Il lavoro principale di Franck riguardava ciò che accade quando un elettrone colpisce un atomo. Con Gustav Hertz ideò esperimenti che misurarono lo scambio con precisione — e scoprì che l'atomo non avrebbe preso quantità arbitrarie di energia. Accettava quantità specifiche e nulla nel mezzo. Questa fu la prima dimostrazione sperimentale diretta dei livelli di energia quantizzati che la teoria quantistica aveva proposto, e trasformò un postulato astratto in un fatto di laboratorio misurabile. Il premio Nobel per la Fisica del 1925 fu assegnato congiuntamente ai due uomini "per la loro scoperta delle leggi che governano l'impatto di un elettrone su un atomo".

Dopo la guerra, Franck diresse la Divisione di Fisica dell'Istituto Kaiser Wilhelm sotto Fritz Haber, continuando a indagare sulla cinetica degli elettroni e sul comportamento degli atomi nei gas.

Gottinga

Nel 1920 divenne professore di fisica sperimentale a Gottinga e per tredici anni fu una delle due metà del partenariato che rese la città la capitale mondiale della fisica teorica, lavorando in stretta collaborazione con Max Born. Tra gli studenti che passarono di lì c'era J. Robert Oppenheimer. Fu a Gottinga che Franck sviluppò il principio oggi noto con il suo nome e quello di Edward Condon, che spiega la dissociazione fotochimica — come le molecole si spezzano quando assorbono la luce.

Dimissioni, 1933

Quando il regime nazista salì al potere, Franck si oppose pubblicamente alle sue leggi razziali e rinunciò alla sua posizione piuttosto che servire sotto di loro. Fu un rifiuto insolitamente precoce e visibile, fatto da un veterano decorato che avrebbe potuto richiedere l'esenzione. Andò prima alla Johns Hopkins University come professore Speyer, trascorse un periodo a Copenaghen e nel 1938 entrò a far parte della facoltà di fisica dell'Università di Chicago.

Chicago e la bomba

Durante la Seconda Guerra Mondiale, Franck diresse la Divisione di Chimica del Laboratorio Metallurgico, il ramo dell'Università di Chicago del Progetto Manhattan. Mentre l'arma si avvicinava al completamento, presiedette il comitato che produsse il Rapporto Franck del giugno 1945, firmato insieme a Leo Szilard, Glenn Seaborg, Donald J. Hughes, J. J. Nickson, Eugene Rabinowitch e J. C. Stearns.

Il rapporto si oppose a un attacco atomico senza preavviso contro il Giappone e propose invece una dimostrazione in una zona disabitata. Il suo ragionamento era tanto strategico quanto morale. Gli scienziati insistettero sul fatto che il segreto non poteva essere mantenuto, prevedendo che entro dieci anni altri paesi avrebbero posseduto bombe in grado di distruggere le città, e sollecitarono l'istituzione di "un controllo internazionale efficace sugli esplosivi nucleari" prima che una corsa agli armamenti diventasse inarrestabile. Non furono ascoltati. E, sulla tempistica, avevano anche ragione.

Fotosintesi

Dopo la guerra, Franck diresse il Gruppo di ricerca sulla fotosintesi di Chicago fino al 1956, applicando gli strumenti della chimica fisica alla questione di come le piante convertono la luce in energia chimica — in un certo senso lo stesso problema del principio Franck-Condon, applicato alla materia vivente. Gli onori si accumularono: la Medaglia Max Planck nel 1951, la cittadinanza onoraria di Gottinga nel 1953, la Medaglia Rumford nel 1955 e l'elezione alla Royal Society nel 1964. Morì il 21 maggio 1964 mentre visitava Gottinga, la città che aveva lasciato trentun anni prima.

Perché James è chiamato genio

La facoltà in questione è l'immaginazione sperimentale: la capacità di progettare un apparato che costringa la natura a rispondere a una domanda che ha evitato. L'atomo di Bohr, con i suoi stati energetici discreti, era una proposta teorica che molti fisici consideravano una finzione conveniente. Franck e Hertz costruirono un dispositivo in cui tale proposta divenne visibile come un modello ripetitivo in una corrente elettrica — una prova che chiunque poteva leggere su uno strumento. Convertire un'astrazione contestata in una misurazione inconfutabile è tra le cose più difficili che un fisico possa fare, e la citazione del comitato Nobel, "le leggi che governano l'impatto di un elettrone su un atomo", accredita esattamente questo. Il principio Franck-Condon mostra la stessa abitudine mentale applicata alle molecole e alla luce.

Il controargomento merita di essere esposto. La teoria che dava significato ai suoi risultati non era sua; apparteneva a Bohr, e la meccanica quantistica che seguì a Born, Heisenberg e altri proprio nell'istituzione in cui Franck lavorava. Era un superbo misuratore all'interno di una rivoluzione guidata dai teorici. Il premio è stato condiviso, il principio è co-denominato e la sua sostanziale ricerca postbellica sulla fotosintesi non ha prodotto nulla di statura comparabile. È anche giusto osservare che buona parte della reputazione moderna di Franck poggia sulla coscienza piuttosto che sulla fisica — le dimissioni del 1933 e il rapporto del 1945. Questa è una distinzione reale, e probabilmente più rara, ma è chiarezza morale piuttosto che genialità intellettuale, e le due cose non dovrebbero essere silenziosamente fuse.

Eredità

L'esperimento Franck-Hertz è ora un esercizio di laboratorio standard per gli studenti universitari, che è il complimento più alto che la fisica possa fare: un risultato così sicuro che agli studenti viene chiesto di riprodurlo. Il Rapporto Franck ha avuto una vita postuma più strana. Ignorato nel 1945, divenne il documento fondante del movimento degli scienziati per il controllo degli armamenti e oggi si legge meno come una protesta che come una previsione — il momento in cui le persone che costruirono l'arma dissero al loro governo esattamente come sarebbero stati i successivi cinquant'anni, e non furono credute.