Циклопедия скорбит по жертвам террористического акта в Крокус-Сити (Красногорск, МО)

Фрэнсис Саймон

Материал из Циклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Франц Симон

Franz Simon
Sir Francis Simon.jpg
Дата рождения
2 июля 1893 года
Место рождения
Берлин, Германия
Дата смерти
31 октября 1956 года
Место смерти
Оксфорд, Великобритания








Награды и премии

Кавалер ордена Британской империиЖелезный крест 1-го класса


Фрэнсис Саймон (англ. Sir Francis Simon, Франц Ойген Симон, нем. Franz Eugen Simon) — германский и английский физик-экспериментатор, специалист в области по физике низких температур и высоких давлений, ядерной физике и магнетизму[1].

Карьера[править]

Франц Симон родился 2 июля 1893 года в Берлине в еврейской семье богатого еврейского торговца. Среди предков по матери был философ Мозес Мендельсон.

В 1903 году поступил в гимназию кайзера Фридриха, где изучал латинский и греческий языки и другие предметы классического цикла, во время каникул посещал Великобританию, чтобы практиковаться в английском. Проявлял явную склонность к естественным наукам, что заметил друг семьи биохимик Леонор Михаэлис, который уговорил родителей Симона позволить Симону избрать физику своей профессией.

В 1912 году поступил в Берлинский университет, где собирался изучать физику, химию и математику. В то время среди студентов была распространена практика посещения других университетов в первые 2 года обучения (никаких экзаменов за это время не предусматривалось), поэтому Франц отправился сначала в Мюнхенский университет, где учился у Арнольда Зоммерфельда, а затем в Гёттингенский университет.

Осенью 1913 года был призван на обязательную военную службу и к началу Первой мировой войны ещё находился в армии. Следующие 4 года служил в полевой артиллерии (в звании лейтенанта) приемущественно на Западном фронте. Получил отравление в одной из газовых атак, был дважды ранен. Второе ранение, полученное лишь за 2 дня до Компьенского перемирия, оказалось таким тяжёлым, что Симон выписался из госпиталя только весной 1919 года. За личное мужество был награждён Железным крестом I класса.

В 1941 году — член Лондонского королевского общества.

Весной 1919 года возобновил свои занятия в Берлинском университете, посещая лекции Макса Планка, Макса фон Лауэ, Фрица Габера и Вальтера Нернста. Последний стал научным руководителем Симона, который в январе 1920 года начал работу над докторской диссертацией. Работа, посвящённая поведению удельной теплоёмкости веществ при низких температурах, была завершена спустя 18 месяцев.

В декабре 1921 года получил докторскую степени и остался работать в университете.

В 1922 году он назначен ассистентом Нернста и в том же году женился на Шарлотте Мюнхгаузен, которая родила ему двух дочерей (Катрин и Доротею).

В тот период работал в университетском Физико-химическом институте, руководимом сначала Нернстом, а затем Максом Боденштейном.

В 1924 году получил должность приват-доцента, а в 1927 — ассистента профессора.

В 1920-х годах Симону удалось создать в институте отдел физики низких температур, продолжавший плодотворную работу по изучению теплоёмкости тел, получению твёрдого гелия, исследованию адсорбции газов и структуры кристаллов. Для проведения всех этих работ было необходимо разрабатывать новое оборудование: по проекту Симона в институте был создан новый ожижитель водорода, копии которого были построены во многих лабораториях мира, и установка по ожижению гелия, 4 в мире на тот момент.

Первые работы учёного (начало 1920-х годов) были посвящены изучению поведения удельной теплоёмкости веществ при низких температурах. Эта тематика тесно связана с обоснованием третьего начала термодинамики, которое было сформулировано ранее его руководителем Вальтером Нернстом в форме так называемой тепловой теоремы. Внимание Саймона привлекали в первую очередь различные аномалии (аномалии лямбда-типа, аномалии Шоттки и другие), которые, казалось, нарушают требуемое по мере приближения к абсолютному нулю стремление энтропии к одному и тому же пределу независимо от фазового состояния вещества. Учёный указал, что во всех подобных случаях система не находится в состоянии внутреннего равновесия, и потому обычные термодинамические представления к ней неприменимы. Такая ситуация возникает в случае аморфных веществ, различных смесей и сплавов, находящихся в так называемых метастабильных состояниях. Проведенная работа позволила учёному дать новую формулировку третьего начала термодинамики. Результаты учёного в этой области нашли и практическое применение: проведенный им анализ равновесия графит/алмаз был использован фирмой General Electric для успешного получения искусственных алмазов. Тем не менее, Саймон предсказывал существование и реальных фундаментальных аномалий в поведении теплоёмкости, связанных с квантовыми эффектами. Первая такая аномалия была обнаружена в 1929 году в твердом водороде и связана с существованием двух его модификаций — пара- и орто-водорода (последний характеризуется вырождением основного состояния).

В 1926 году разработал метод адиабатической десорбции для получения жидкого гелия: из сосуда с гелием, адсорбированным углем при температуре жидкого водорода, откачивается газ, что позволяет резко понизить температуру ниже критической.

В 1926 году предложил метод получения низких температур посредством адиабатического размагничивания парамагнитных солей.

Летом 1930 года с женой посетил СССР.

В начале 1930-х годов учёному удалось показать, что минимальная достижимая температура определяется тепловой аномалией, связанной с возникновением упорядоченных ориентаций спинов электронов.

В начале 1930-х годов он начал цикл исследований свойств жидкого и твердого гелия, продолженный в послевоенные годы. В частности были изучены кривые плавления гелия, продемонстрирована роль поверхностной пленки жидкого гелия в тепловом отклике резервуара с этой жидкостью, исследованы процессы теплопередачи в жидком гелии при температурах ниже 1 К и так далее.

Ещё в Берлине начал работу по исследованию кривых плавления таких веществ, как гелий, при изменении давления. В результате данной работы удалось показать справедливость закона соответственных состояний в этом случае и получить полуэмпирическое выражение для давления плавления, которое могло применяться к другим, недоступным в то время для изучения веществам. В послевоенное время кривая плавления гелия была прослежена вплоть до давлений в 7300 атмосфер, что соответствует температуре плавления 50 К. При этом не было обнаружено никаких свидетельств существования критической точки для перехода твердое тело — жидкость.

В начале 1931 года переехал в Бреслау на должность профессора физической химии Бреслаувского Технического университета.

Весенний семестр 1932 года провёл в Калифорнийском университете в Беркли, куда прибыл по приглашению Гилберта Льюиса. Здесь учёный реализовал идею ожижения гелия методом адиабатического расширения.

После возвращения в Бреслау был назначен деканом факультета химии и горного дела и погрузился в административные дела.

В 1932 году предложил новый метод ожижения гелия — так называемый экспансионный метод на основе его изоэнтропийного расширения. Этот подход оказался относительно простым и дешевым и позволил интенсифицировать проведение низкотемпературных исследований в Кларендонской лаборатории и других научных центрах.

Разработанные методики охлаждения активно применялись учёным к исследованию свойств веществ при экстремально низких температурах.

В январе 1933 года, после прихода Гитлера к власти, учёный осознал необходимость эмигрировать. Хотя антисемитские законы в тот момент ещё не затрагивали его положение (участники мировой войны не изгонялись из университетов), он начал искать себе подходящую позицию за границей.

В июне 1933 года принял приглашение от Фредерика Линдемана, директора Кларендонской лаборатории Оксфордского университета.

В августе 1933 года с семьёй прибыл в Оксфорд. Линдеману удалось выхлопотать исследовательские гранты компании Imperial Chemical Industries для Симона и трёх других беженцев из Германии (также специалистов по низкотемпературной физике и также из Бреслау) — Курта Мендельсона (двоюродного брата Симона), Николаса Курти и Хайнца Лондона. Симон захватил с собой из Германии некоторое оборудование и начал налаживать в Кларендонской лаборатории экспериментальную работу, развернув широкие исследования по магнитному охлаждению и другим темам. Однако, Симон не был удовлетворен скромными возможностями лаборатории, он хотел большей самостоятельности и занимался поиском подходящей профессорской позиции. Эти поиски не увенчались успехом: получить место в Бирмингемском университете ему не удалось, а от предложений из Стамбула и Иерусалима он отказался сам. Из-за скромных возможностей в Оксфорде ему приходилось много путешествовать: он посещал Амстердам, где было оборудование для изучения свойств жидкостей при высоких давлениях, а работы по магнитному охлаждению привели его к тесному сотрудничеству (особенно в 1935—1938 годах) с парижской лабораторией Эме Коттона, в которой были устройства для получения достаточно сильных магнитных полей. Хотя поначалу у Симона не было постоянной должности в университете, вскоре после приезда он получил степень магистра искусств и был допущен в профессорскую колледжа Баллиоль, а в 1935 году стал читать лекции по термодинамике.

В 1934 году вместе с Николасом Курти начал серию экспериментов по магнитному охлаждению. Прежде всего было необходимо установить термодинамическую шкалу температур в новом диапазоне, то есть научиться определять температуру, достигаемую в этом подходе (это может быть сделано, например, методом нагревания вещества гамма-излучением). После этого стало возможным измерять свойства веществ (парамагнитных солей) в зависимости от температуры, в частности был изучен процесс перехода спиновой системы в упорядоченное состояние. Среди других приложений магнитного охлаждения — охлаждение различных веществ в новом температурном диапазоне, поиск новых сверхпроводников, измерение тепловой релаксации и теплопроводности веществ и т. д.

В 1935 году вместе с Николасом Курти выдвинул идею ядерного охлаждения. Как было показано в работах по адиабатическому размагничиванию, предельная температура охлаждения определяется энергией взаимодействия спинов (или магнитных моментов) электронов. С другой стороны, энергия взаимодействия ядерных магнитных моментов гораздо меньше, поэтому, если парамагнетизм вещества определяется его ядерными спинами, можно достичь ещё более низких температур. В последующие годы учёный обосновал возможность реализации этого подхода, но она была связана с большими экспериментальными трудностями, в частности с необходимостью получения достаточно сильных магнитных полей и предварительным охлаждением до сотых долей К. По этой причине первые успешные опыты по ядерному охлаждению были проведены только летом 1956 года, когда удалось опустить спиновую температуру до 10 мкК.

В конце 1938 года получил британское гражданство.

После начала Второй мировой войны работы в лаборатории были остановлены, но правительство ещё не решалось привлекать недавних иммигрантов к проблемам военного характера. Получив много свободного времени, Саймон и другие его коллеги-беженцы (особенно Рудольф Пайерлс и Отто Фриш) начали активно разрабатывать новую тему атомной энергии. Лишь летом 1940 года работы по этой тематике были официально утверждены. Так как жена и дети Саймона были эвакуированы в Канаду, он смог полностью сосредоточиться на работе в рамках британского атомного проекта, занимаясь приемущественно вопросом разделения изотопов. За участие в этом проекте в 1946 году он был награждён Орденом Британской империи.

В 1945 году получил должность сотрудника колледжа Крайст-Чёрч, впоследствии звание профессора и руководство специально для него организованной кафедрой термодинамики.

После войны много внимания уделял общественно-политическим вопросам.

В 1948—1951 годах — научный корреспондент газеты The Financial Times, сотрудничал с Управлением по атомной энергии был членом исследовательского совета Управления по электроэнегии и совета Лондонского королевского общества, занимал должность председателя комиссии по очень низким температурам Международного союза чистой и прикладной физики. Одновременно налаживал активную работу по низкотемпературной физике в Кларендонской лаборатории, расширяя штат и оборудование своего отдела.

Вскоре после начала Второй мировой войны узнал о возможности получения ядерной взрывчатки на основе урана-235. В связи с этим встал вопрос о создании эффективных методик выделения этого изотопа. Уже к лету 1940 года начались первые эксперименты по разделению методом диффузии газовой смеси изотопов через мембрану. Так как все британские физики были уже привлечены к военным работам, в этих исследованиях участвовали такие же иммигранты как Саймон. Первые опыты носили достаточно примитивный характер. После создания британского атомного проекта эти работы получили официальный статус. Большую роль в этом (наряду с «меморандумом Фриша — Пайерлса») сыграл доклад, составленный Саймоном, а также тот факт, что лорд Черуэлл, руководитель Кларендонской лаборатории, был советником Уинстона Черчилля по научным вопросам. Работы в группе Саймона были значительно расширены: проводились исследования свойств гексафторида урана и металлического урана, различных типов мембран, и уже в декабре 1940 года учёный представил реалистичный проект завода по разделению изотопов урана. Экспериментально изучались и другие возможности разделения, в частности метод центрифугирования, теория которого была создана Полем Дираком. Результаты, полученные учёным и его группой, использовались в рамках Манхэттенского проекта.

В последние годы начал работу по изучению теплопроводности диэлектрических кристаллов, которая ограничивается процессами переброса (Umklapp scattering, рассеяние фононов в результате столкновений друг с другом) и процессами рассеяния фононов на границах кристалла. Вместе с сотрудниками экспериментально продемонстрировал, что при низких температурах первый тип процессов играет незначительную роль в полном соответствии с теоретическими ожиданиями, тогда как теплопроводность полностью определяется рассеянием фононов на кристаллических гранях и, тем самым, зависит от размеров образца.

В 1950-е годы вернулся к изучению свойств орто-пара-систем.

В 1952 году — почётный член Американской академии искусств и наук.

В 1956 году был избран преемником Линдемана в должности профессора экспериментальной философии и директора Кларендонской лаборатории. 1 октября 1956 года вступил в должность директора лаборатории.

31 октября 1956 года скончался в Оксфорде.

Источники[править]

  1. Википедия