Simon, Francis

Francis Simon / Franz Eugen Simon
Sir Francis Simon / Franz Eugen Simon
Födelsedatum 2 juli 1893( 1893-07-02 )
Födelseort Berlin
Dödsdatum 31 oktober 1956 (63 år)( 1956-10-31 )
En plats för döden Oxford
Land Tyskland, Storbritannien
Vetenskaplig sfär fysik
Arbetsplats University of Berlin University
of Breslau
University of Oxford
Alma mater Berlins universitet
vetenskaplig rådgivare Walter Nernst
Studenter Kurt Mendelsohn
Brebis Blini
Känd som en framstående specialist inom lågtemperaturfysik
Utmärkelser och priser
Commander of the Order of the British Empire
 Mediafiler på Wikimedia Commons

Francis Simon eller Franz Eugen Simon ( engelsk  Sir Francis Simon , tysk  Franz Eugen Simon ; 2 juli 1893 , Berlin - 31 oktober 1956 , Oxford ) var en tysk och brittisk experimentell fysiker . Medlem av Royal Society of London ( 1941 ). Vetenskapliga arbeten ägnas huvudsakligen åt fysiken för låga temperaturer och höga tryck, kärnfysik , magnetism .

Biografi

Tidiga år. Tjänstgöring i armén (1893-1919)

Franz Eugen Simon föddes i Berlin av en rik judisk köpman. Bland hans mors förfäder finns den berömda filosofen Moses Mendelssohn . 1903 gick Simon in på Kaiser Friedrich Gymnasium ( Kaiser Friedrich Reform Gymnasium ), där han studerade latin och grekiska och andra klassiska ämnen, och besökte Storbritannien under semestern för att öva sin engelska . Ändå visade han en tydlig böjelse för naturvetenskap, vilket noterades av en familjevän, den berömda biokemisten Leonor Michaelis . Michaelis övertalade Simons föräldrar att låta honom välja fysik som sitt yrke. 1912 gick Simon in på universitetet i Berlin , där han tänkte studera fysik, kemi och matematik. På den tiden var bruket att besöka andra universitet under de första två studieåren vanligt bland studenter (inga prov gavs under denna tid), så Simon gick först till universitetet i München , där han studerade med Arnold Sommerfeld , och sedan till Göttingen [1] .

Hösten 1913 kallades Simon till ett års värnplikt och var fortfarande i armén i början av första världskriget . Under de följande fyra åren tjänstgjorde han i fältartilleriet (med rang av löjtnant ) främst på västfronten . Han förgiftades i en av gasattackerna och skadades två gånger. Det andra såret, som mottogs bara två dagar före Compiègne vapenvila , visade sig vara så allvarligt att han skrevs ut från sjukhuset först våren 1919 . För personligt mod tilldelades Simon Iron Cross 1st Class , men gillade senare inte att minnas denna sida i sitt liv [2] .

Berlin (1919–1930)

På våren 1919 återupptog Simon sina studier vid universitetet i Berlin och deltog i föreläsningar av Max Planck , Max von Laue , Fritz Haber och Walter Nernst . Den senare blev Simons handledare, som i januari 1920 påbörjade arbetet med sin doktorsavhandling. Arbetet med beteendet hos ämnens specifika värmekapacitet vid låga temperaturer avslutades efter 18 månader. Efter att ha tagit sin doktorsexamen i december 1921 stannade Simon kvar vid universitetet. 1922 utnämndes han till Nernsts assistent och samma år gifte han sig med Charlotte Munchhausen , som födde honom två döttrar [3] .

Vid denna tidpunkt arbetade Simon vid University Institute of Physics and Chemistry, ledd först av Nernst och sedan av Max Bodenstein . 1924 fick Simon tjänsten som privatdozent och 1927 - biträdande professor ( Außerordentliche professor ). Under 1920-talet lyckades han skapa en avdelning för lågtemperaturfysik vid institutet, som fortsatte fruktbart arbete med studier av kroppars värmekapacitet, produktion av fast helium , studiet av gasadsorption och strukturen av kristaller. För att utföra alla dessa arbeten var det nödvändigt att utveckla ny utrustning: enligt Simon-projektet skapades en ny vätevätgasanläggning vid institutet, vars kopior byggdes i många laboratorier runt om i världen, och en heliumvätskeanläggning, fjärde i världen vid den tiden. I slutet av 1920-talet var Simon redan vida känd i vetenskapliga kretsar och bjöds in till olika konferenser och möten. I synnerhet sommaren 1930 besökte han tillsammans med sin fru Sovjetunionen och besökte Odessa , Moskva och Leningrad [4] .

Breslau (1931–1933)

I början av 1931 flyttade Simon till Breslau som professor i fysikalisk kemi vid det lokala tekniska universitetet ( Technische Hochschule Breslau , nu Wrocław University of Technology ). Han tillbringade vårterminen 1932 vid University of California, Berkeley , där han kom på inbjudan av Gilbert Lewis . Här förverkligade Simon idén att flytande helium genom metoden för adiabatisk expansion. När han återvände till Breslau utnämndes han till dekanus vid fakulteten för kemi och gruvdrift och fördjupade sig i administrativa angelägenheter. I januari 1933 , efter att nazisterna kommit till makten i Tyskland , insåg Simon behovet av att emigrera. Även om de antijudiska lagarna vid det tillfället ännu inte påverkade hans position (deltagare i världskriget uteslöts inte från universiteten), började han leta efter en lämplig position utomlands. I juni 1933 fick han en inbjudan från Frederick Lindemann , chef för Clarendon Laboratory vid Oxford University (se Clarendon Laboratory ), och accepterade den gärna [5] .

Oxford (1933–1956)

I augusti 1933 anlände Simon och hans familj till Oxford. Lindemann lyckades säkra forskningsanslag från Imperial Chemical Industries till Simon och tre andra flyktingar från Tyskland (även specialister på lågtemperaturfysik och även från Breslau) - Kurt Mendelsohn (Simons kusin), Nicholas Kurti och Heinz London . Simon tog med sig lite utrustning från Tyskland och började sätta upp experimentellt arbete i Clarendon Laboratory, och utökade omfattande forskning om magnetisk kylning och andra ämnen [6] . Simon var dock inte nöjd med laboratoriets blygsamma möjligheter, han ville ha mer självständighet och letade efter en lämplig professorstjänst. Dessa sökningar misslyckades: han lyckades inte få en plats vid universitetet i Birmingham , och han själv vägrade erbjudanden från Istanbul och Jerusalem . På grund av blygsamma möjligheter i Oxford var han tvungen att resa mycket: han besökte Amsterdam , där det fanns utrustning för att studera egenskaperna hos vätskor vid höga tryck, och arbetet med magnetisk kylning ledde honom till ett nära samarbete (särskilt 1935-1938) med Paris -laboratoriet Aimé Cotton , där det fanns anordningar för att erhålla tillräckligt starka magnetfält [7] . Även om Simon till en början inte hade en fast tjänst vid universitetet, fick han kort efter sin ankomst sin Master of Arts och antogs till professuren ( Senior Common Room ) vid Balliol College , och 1935 började han föreläsa om termodynamik. I slutet av 1938 fick Simon brittiskt medborgarskap och sedan dess har den engelska versionen av hans namn, Francis Simon, blivit mer och mer utbredd [8] .

Efter andra världskrigets utbrott stoppades arbetet i laboratoriet, men regeringen vågade fortfarande inte involvera nya invandrare i militära problem. Med mycket fritid började Simon och hans andra flyktingar (särskilt Rudolf Peierls och Otto Frisch ) aktivt utveckla det nya ämnet atomenergi [9] . Först sommaren 1940 godkändes arbeten om detta ämne officiellt. Sedan hans fru och barn evakuerades till Kanada kunde Simon koncentrera sig fullt ut på sitt arbete på det brittiska atomprojektet (se Tube Alloys ), med fokus på isotopseparation . För deltagande i detta projekt 1946 tilldelades han Order of the British Empire . Ett år tidigare fick Simon positionen som en anställd ( student ) vid Christ Church College , och sedan titeln professor och ledarskap för avdelningen för termodynamik speciellt organiserad för honom [8] .

Under efterkrigstiden ägnade Simon stor uppmärksamhet åt sociopolitiska frågor, 1948-1951 var han vetenskapskorrespondent för The Financial Times , samarbetade med Atomic Energy Authority (se Atomic Energy Authority ), var medlem i forskningen styrelse för British Electricity Authority ) och Council of the Royal Society of London , fungerade som ordförande för kommissionen för mycket låga temperaturer i International Union of Pure and Applied Physics . Samtidigt startade han aktivt arbete med lågtemperaturfysik vid Clarendon Laboratory, vilket utökade personalen och utrustningen på sin avdelning [10] .

1956 valdes Simon till Lindemanns efterträdare (vid då Lord Cherwell) till Dr. Lees professor i experimentell filosofi och chef för Clarendon Laboratory. På sommaren blev han sjuk på grund av en exacerbation av kranskärlssjukdom , från vilken han gradvis började återhämta sig. Den 1 oktober 1956 tillträdde Simon tjänsten som chef för laboratoriet, men i slutet av oktober inträffade ett återfall av sjukdomen och den 31 oktober dog han [11] .

Vetenskaplig verksamhet

Värmekapacitet och termodynamikens tredje lag

Simons första verk (tidigt 1920-tal) ägnades åt studiet av beteendet hos ämnens specifika värmekapacitet vid låga temperaturer. Detta ämne är nära relaterat till motiveringen för termodynamikens tredje lag , som formulerades tidigare av Simons handledare Walter Nernst i form av den så kallade värmesatsen . Simons uppmärksamhet lockades främst av olika anomalier (lambda-typ anomalier, Schottky anomalier och andra), som verkade bryta mot den erforderliga tendensen till entropi till samma gräns när den närmar sig absolut noll , oavsett fastillståndet hos ämnet. Simon påpekade att i alla sådana fall är systemet inte i ett tillstånd av intern jämvikt , och därför är de vanliga termodynamiska koncepten inte tillämpliga på det. Denna situation uppstår när det gäller amorfa ämnen , olika blandningar och legeringar i så kallade metastabila tillstånd [12] . Arbetet som utfördes gjorde det möjligt för Simon att ge en ny formulering av termodynamikens tredje lag [13] och, som Nicholas Curti noterar ,

Det faktum att Nernsts värmesats nu betraktas som termodynamikens tredje lag, med samma grundläggande betydelse som den första och andra lagen, beror till stor del på Simons arbete och inflytande [12] .

Originaltext  (engelska)[ visaDölj] Att Nernst värmesatsen nu betraktas som termodynamikens 3:e lag, lika i fundamental betydelse som 1:a och 2:a lagen, beror till stor del på Simons arbete och inflytande.

Simons resultat på detta område har också funnit praktiska tillämpningar: hans analys av grafit/diamant-jämvikten användes av General Electric för att framgångsrikt få fram konstgjorda diamanter . Icke desto mindre förutspådde Simon också förekomsten av verkliga fundamentala anomalier i beteendet hos värmekapacitet associerad med kvanteffekter. Den första sådana anomalien upptäcktes 1929 i fast väte och är förknippad med förekomsten av två av dess modifieringar, para- och orto-väte (den senare kännetecknas av degeneration av grundtillståndet). På 1950-talet återvände Simon till studiet av egenskaperna hos orto-para-system [12] .

Kryogenik och relaterad forskning

1926 utvecklade Simon en metod för adiabatisk desorption för att erhålla flytande helium : gas pumpas ut ur ett kärl med helium adsorberat av kol vid temperaturen för flytande väte , vilket gör att temperaturen sjunker kraftigt under den kritiska temperaturen. 1932 föreslog han en ny metod för flytande av helium - den så kallade expansionsmetoden baserad på dess isentropiska expansion [14] . Detta tillvägagångssätt visade sig vara relativt enkelt och billigt och gjorde det möjligt att intensifiera lågtemperaturforskningen vid Clarendon Laboratory och andra vetenskapliga centra [15] .

De utvecklade kylmetoderna tillämpades aktivt av Simon för att studera egenskaperna hos ämnen vid extremt låga temperaturer. I början av 1930-talet påbörjade han en serie studier om egenskaperna hos flytande och fast helium , som fortsatte under efterkrigsåren. Speciellt studerades heliumsmältningskurvor, en flytande heliumytfilms roll i en tanks termiska respons med denna vätska demonstrerades, värmeöverföringsprocesser i flytande helium vid temperaturer under 1 K studerades, och så vidare [16] .

Medan han fortfarande var i Berlin började Simon arbeta med att studera smältkurvorna för ämnen som helium under tryck. Som ett resultat av detta arbete var det möjligt att visa giltigheten av de motsvarande staternas lag i detta fall och att få ett semi-empiriskt uttryck för smälttrycket, vilket kunde appliceras på andra ämnen som var otillgängliga vid den tiden för studier. Under efterkrigstiden spårades heliumsmältningskurvan upp till tryck på 7300 atmosfärer, vilket motsvarar en smältpunkt på 50 K. Inga bevis hittades för förekomsten av en kritisk punkt för övergången fast-vätska [17] .

Simon har på senare år börjat arbeta med studier av värmeledningsförmågan hos dielektriska kristaller , vilket är begränsat till Umklapp- spridning ( fononspridning grund av kollisioner med varandra) och fononspridningsprocesser vid kristallgränser. Simon et al demonstrerade experimentellt att vid låga temperaturer spelar den första typen av processer en obetydlig roll, helt i överensstämmelse med teoretiska förväntningar, medan den termiska konduktiviteten helt bestäms av spridningen av fononer på kristallytor och därför beror på storleken av provet [18] .

Magnetisk och nukleär kylning

En metod för att erhålla låga temperaturer genom adiabatisk avmagnetisering av paramagnetiska salter föreslogs 1926 oberoende av Peter Debye och William Gyok . I början av 1930-talet lyckades Simon visa att den lägsta möjliga temperaturen bestäms av en termisk anomali associerad med uppkomsten av ordnade orienteringar av elektronsnurr . 1934 började han tillsammans med Nicholas Curti en serie experiment på magnetisk kylning. Först och främst var det nödvändigt att upprätta en termodynamisk temperaturskala i ett nytt område, det vill säga att lära sig hur man bestämmer temperaturen som uppnåddes i detta tillvägagångssätt (detta kan till exempel göras genom att värma ett ämne med gammastrålning ). Efter det blev det möjligt att mäta egenskaperna hos ämnen (paramagnetiska salter) som en funktion av temperaturen, i synnerhet studerades processen för övergången av ett spinnsystem till ett ordnat tillstånd. Andra tillämpningar av magnetisk kylning inkluderar kylning av olika ämnen i ett nytt temperaturområde, sökandet efter nya supraledare , mätning av termisk relaxation och värmeledningsförmåga hos ämnen, och så vidare [19] .

1935 , tillsammans med Curti och oberoende av Cornelis Gorter , lade Simon fram idén om nukleär kylning . Som visats i arbeten om adiabatisk avmagnetisering, bestäms den begränsande kyltemperaturen av interaktionsenergin hos spinn (eller magnetiska moment ) hos elektroner. Å andra sidan är interaktionsenergin för kärnmagnetiska moment mycket mindre, så om ett ämnes paramagnetism bestäms av dess kärnspinn kan ännu lägre temperaturer uppnås. Under de efterföljande åren underbyggde Simon möjligheten att implementera detta tillvägagångssätt, men det var förenat med stora experimentella svårigheter, i synnerhet med behovet av att få tillräckligt starka magnetfält och förkylning till hundradelar av K. Därför har de första framgångsrika experimenten på kärnkraftskylning utfördes först sommaren 1956. då det var möjligt att sänka spinntemperaturen till 10 μK [20] [21] [22] .

Separation av isotoper

Strax efter andra världskrigets utbrott blev Simon medveten om möjligheten att skaffa nukleära sprängämnen baserade på uran-235 . I samband med detta uppstod frågan om att skapa effektiva metoder för att separera denna isotop . Redan sommaren 1940 började de första experimenten med att separera en gasblandning av isotoper genom ett membran genom diffusion . Eftersom alla brittiska fysiker redan var involverade i militärt arbete, deltog samma invandrare som Simon i dessa studier. De första experimenten var ganska primitiva. Enligt Nicholas Kurti,

Även om det skulle vara en överdrift att säga, som i någon tunn reminiscens, att de första isotopseparationsexperimenten vid Clarendon Laboratories utfördes på kolsyrat vatten med hjälp av Mrs Simons köksfilter, var detta inte så långt ifrån sanningen [23] .

Originaltext  (engelska)[ visaDölj] Så även om det skulle vara en överdrift att säga, som har gjorts i några lättsamma reminiscenser, att de första separationsexperimenten vid Clarendon gjordes på sodavatten med hjälp av Mrs Simons kökssil, är sanningen inte långt borta.

Efter skapandet av det brittiska atomprojektet fick dessa verk officiell status. En stor roll i detta (tillsammans med "Frisch-Peierls memorandum") spelades av rapporten som sammanställdes av Simon, liksom det faktum att Lord Cherwell , chef för Clarendon Laboratory, var Winston Churchills vetenskapliga rådgivare [24] . Arbetet i Simons grupp utökades avsevärt: studier genomfördes på egenskaperna hos uranhexafluorid och metalliskt uran, olika typer av membran, och redan i december 1940 presenterade Simon ett realistiskt projekt för en anläggning för separation av uranisotoper. Andra möjligheter till separation studerades experimentellt, i synnerhet centrifugeringsmetoden, vars teori skapades av Paul Dirac . Resultaten som erhållits av Simon och hans grupp användes också inom ramen för Manhattanprojektet [23] .

Simons personlighet och sociala position

Under kriget kunde Simon bli mer bekant med organisationen av engelsk vetenskap och industri. Denna bekantskap tillät honom att bilda sig en egen ganska pessimistisk syn på vetenskapens roll och framtidsutsikter i det brittiska samhället. Som specialist på termodynamik motsatte han sig starkt det onödiga slöseriet med bränsle och mänsklig ansträngning, krävde besparing av kol, den viktigaste bränsleresursen, och ersättning av traditionella värmesystem med mer rimliga. Hans verksamhet i denna fråga berodde till stor del på bristen på kol under efterkrigstiden. Samtidigt delade han inte en överoptimistisk syn på utsikterna för kärnkraft , och han trodde att kol skulle fortsätta att vara den huvudsakliga värmekällan under överskådlig framtid. Simon var särskilt oroad över vetenskapens tillstånd i England. Han hävdade att det inte ägnas tillräckligt mycket uppmärksamhet i jämförelse med andra länder (USA och särskilt Sovjetunionen), och att denna klyfta, enligt hans åsikt, bara kommer att växa, vilket kan leda till allvarliga konsekvenser för Storbritanniens framtid [25 ] . I en av sina senaste artiklar skrev han:

Vi måste ha en långsiktig politik, där en väsentlig del skulle vara anpassningen av vårt utbildningssystem till den tekniska tidsålderns krav. Utan politik kan vi inte konkurrera med sovjeterna. <...> i Storbritannien måste det ske en grundlig omvärdering av vetenskapens roll, och vi måste övervinna bristen på förståelse bland humaniora, som intar nästan alla nyckelpositioner i landet [9] .

Originaltext  (engelska)[ visaDölj] Vi måste ha en långsiktig politik, där en väsentlig del skulle vara anpassningen av vårt utbildningssystem till den tekniska tidsålderns krav. Utan en politik kommer vi inte att kunna konkurrera med sovjeterna. <...> i Storbritannien måste en grundlig omvärdering av vetenskapens roll äga rum, och vi måste övervinna bristen på förståelse inom konstmännen som intar nästan alla nyckelpositioner i landet.

Simon var ingen bra föreläsare, han tyckte i allmänhet inte om att tala offentligt (alla hans tal var noggrant förberedda och krävde stor ansträngning av honom). Hans inflytande på studenter och kollegor skedde snarare genom informella kontakter och närmare kommunikation. Trots att han bott länge i England, talade han engelska med en lätt accent och var inte säker på sina kunskaper i språket, och kallade sig "Vice-president för Union of Broken English Speakers" (han gav presidentskapet till sin vän Fritz London ). Han klagade på ett opålitligt minne och bar alltid med sig en anteckningsbok där han skrev ner informationen han hörde [26] .

Simon var alltid redo att hjälpa sina kollegor som lämnade Nazityskland, men även efter kriget följde han med oro situationen i sitt hemland och noterade att fascismens anda fortfarande levde i landet och att många vetenskapsmän och politiker som samarbetade med Nazisterna hade fortfarande viktiga poster. Hans framgångsrika arbete på Clarendon Laboratory, som har blivit ett av de största centra för kryogenik, berodde till stor del på den goda atmosfären i teamet. Nicholas Curti skrev om detta:

Man kan säga att Clarendon-lågtemperaturfysikerna, utspridda över många länder, bildade ungefär en stor familj med Simon i spetsen. Han korresponderade ständigt med dem, höll dem intresserade av varandra och för varandras arbete, och på sina många resor besökte han dem alltid [26] .

Originaltext  (engelska)[ visaDölj] Det kan sägas att Clarendons lågtemperaturfysiker, utspridda även om de var över många länder, bildade ungefär en stor familj med Simon som huvud. Han brevväxlade ständigt med dem, höll liv i deras intresse för varandra och för det arbete som var och en utförde och på sina många resor sökte han alltid upp dem.

En av Simons tidigare medarbetare beskrev honom i en dödsruna i Nature :

Han var busig, smidig, generös och hjärtlig, alltid tillgänglig, det var omöjligt att förolämpa honom [27] .

Originaltext  (engelska)[ visaDölj] Han var busig, kvicksilver, generös och varmhjärtad, alltid tillgänglig, omöjlig att förolämpa.

Priser och minne

British Institute of Physics har delat ut Simon Memorial Prize sedan 1959.

Publikationer

Huvudsakliga vetenskapliga arbeten

Simon är författare till mer än 120 vetenskapliga artiklar, av vilka man, ganska villkorligt, kan peka ut:

Publicism

Simon är författare till ett antal opederade artiklar för olika publikationer, inklusive The Sunday Times och The Financial Times (han var korrespondent för den senare i flera år). Några av publikationerna listas nedan:

Anteckningar

  1. Kurti, 1958 , s. 224-226.
  2. Kurti, 1958 , sid. 226.
  3. Kurti, 1958 , sid. 227.
  4. Kurti, 1958 , s. 227-228.
  5. Kurti, 1958 , sid. 229.
  6. Kurti, 1958 , sid. 230.
  7. J. Morrell. The Lindemann Era // Fysik i Oxford, 1839-1939: laboratorier, lärande och universitetsliv / red. R. Fox, G. Gooday. - Oxford: University Press, 2005. - S. 252. Arkiverad 20 december 2016 på Wayback Machine
  8. 1 2 Kurti, 1958 , sid. 231.
  9. 12 Rabinowitch , 1956 , sid. 382.
  10. Kurti, 1958 , sid. 232.
  11. Kurti, 1958 , sid. 233.
  12. 1 2 3 Kurti, 1958 , s. 233-235.
  13. För Simons formuleringsändringar, se KJ Laidler. Den fysiska kemins värld . - Oxford: University Press, 1995. - S. 128. Arkiverad 20 december 2016 på Wayback Machine
  14. För Simons metod, se till exempel GK White, PJ Meeson. Experimentella tekniker i lågtemperaturfysik . - Oxford: University Press, 2002. - P. 11. Arkiverad 20 december 2016 på Wayback Machine ; M. Mukhopadhyay. Simon Helium Liquefaction Process // Grunderna för kryogenteknik . — PHI Learning Pvt. Ltd. - S. 99-103. Arkiverad 20 december 2016 på Wayback Machine
  15. Kurti, 1958 , sid. 241.
  16. Kurti, 1958 , sid. 236.
  17. Kurti, 1958 , sid. 237.
  18. Kurti, 1958 , sid. 238.
  19. Kurti, 1958 , sid. 239.
  20. Kurti, 1958 , sid. 240.
  21. SW Van Scive. Helium kryogenik . - New York: Plenum Press, 1986. - S. 373. Arkiverad 20 december 2016 på Wayback Machine
  22. F. Pobell. Materia och metoder vid låga temperaturer . - Berlin: Springer, 2007. - S. 217. Arkiverad 20 december 2016 på Wayback Machine
  23. 1 2 Kurti, 1958 , s. 242-243.
  24. Per F. Dahl. Tungt vatten och krigets kapplöpning om kärnkraft . - IOP Publishing, 1999. - S. 123. Arkiverad 20 december 2016 på Wayback Machine
  25. Kurti, 1958 , s. 243-245.
  26. 1 2 Kurti, 1958 , s. 246-250.
  27. Jones, 1956 , s. 1434-1435.

Litteratur