Джон Кларк Слейтер

Джон Кларк Слейтер (англ. John Clark Slater; 22 декабря 1900, Уинчестер, Массачусетс — 25 июля 1976, Санибел, Флорида) — американский физик-теоретик и химик, один из основоположников современной квантовой теории многоэлектронных систем. Известен работами по теории атомных и молекулярных орбиталей, физике твёрдого тела и магнетизму. Внёс фундаментальный вклад в развитие методов Хартри — Фока и теории функционала плотности, а также предложил эмпирические правила (правила Слейтера) для расчёта эффективного заряда ядра.

Биография

Ранние годы и образование

Джон Кларк Слейтер родился в семье преподавателя. Его отец, Джон Ротвелл Слейтер, был профессором английской литературы в Университете Рочестера. Мать, Эмили Кларк, происходила из семьи учёных. С ранних лет Слейтер проявлял способности к математике и естественным наукам. В 1917 году поступил в Рочестерский университет, где изучал физику и математику, получив степень бакалавра в 1920 году. Затем продолжил обучение в Гарвардском университете, где под руководством Перси Бриджмена защитил докторскую диссертацию (Ph.D.) в 1923 году, посвящённую сжимаемости твёрдых тел.

Научная карьера

После защиты диссертации Слейтер получил стипендию для стажировки в Европе. В 1923—1924 годах он работал в Кембриджском университете у Эрнеста Резерфорда и в Копенгагене у Нильса Бора, где познакомился с новейшими идеями квантовой механики. По возвращении в США в 1925 году стал преподавателем Гарвардского университета, а в 1930 году — профессором Массачусетского технологического института (МТИ). В МТИ он основал и возглавил исследовательскую группу по квантовой теории, которая стала одной из ведущих в мире.

В 1935 году Слейтер перешёл в Принстонский университет, где до 1941 года занимал должность профессора физики. В годы Второй мировой войны участвовал в разработке радаров в Радиационной лаборатории МТИ. После войны вернулся в МТИ, где в 1951 году создал и возглавил Лабораторию по исследованию твёрдого тела (Solid State and Molecular Theory Group). В 1966 году ушёл в отставку, но продолжал научную работу в Университете Флориды до конца жизни.

Научные достижения

Квантовая теория многоэлектронных атомов

Слейтер внёс решающий вклад в развитие методов описания атомов с несколькими электронами. В 1929 году он независимо от Дугласа Хартри разработал метод самосогласованного поля (метод Хартри — Фока), который позволяет приближённо решать уравнение Шрёдингера для многоэлектронных систем. Слейтер усовершенствовал этот метод, введя понятие обменного взаимодействия и предложив использовать детерминанты Слейтера — антисимметричные волновые функции, удовлетворяющие принципу Паули.

Правила Слейтера

В 1930 году Слейтер предложил набор эмпирических правил для оценки эффективного заряда ядра, действующего на электрон в многоэлектронном атоме. Эти правила, известные как правила Слейтера, позволяют рассчитать энергию электронов и орбитальные радиусы без сложных квантово-механических вычислений. Несмотря на приближённый характер, они широко используются в химии и физике для качественного анализа свойств атомов и ионов.

Теория кристаллического поля и магнетизм

Слейтер развил теорию кристаллического поля, описывающую влияние окружения на электронную структуру ионов в твёрдых телах. Он также внёс вклад в теорию магнетизма, объяснив природу ферромагнетизма в переходных металлах. В 1936 году совместно с Джоном Ван Флеком опубликовал работу, заложившую основы современной теории магнитных свойств твёрдых тел.

Метод Хартри — Фока — Слейтера

В 1951 году Слейтер предложил упрощённую версию метода Хартри — Фока, известную как метод Хартри — Фока — Слейтера (HFS). В этом методе обменное взаимодействие аппроксимируется локальным потенциалом, что делает вычисления значительно более эффективными. Этот подход стал предшественником современной теории функционала плотности (DFT), за разработку которой Вальтер Кон получил Нобелевскую премию в 1998 году.

Электронная структура твёрдых тел

Слейтер внёс фундаментальный вклад в теорию зонной структуры твёрдых тел. Он разработал метод присоединённых плоских волн (APW) для расчёта электронных зон в кристаллах, который стал одним из основных инструментов в физике твёрдого тела. Его работы по теории полупроводников и металлов заложили основы для понимания электрических и оптических свойств материалов.

Основные труды

Слейтер является автором нескольких классических монографий и учебников, ставших настольными книгами для нескольких поколений физиков и химиков:

• «Quantum Theory of Matter» (1951) — введение в квантовую теорию для студентов.
• «Quantum Theory of Atomic Structure» (2 тома, 1960) — детальное изложение квантовой теории атомов.
• «Quantum Theory of Molecules and Solids» (4 тома, 1963—1974) — фундаментальный труд по квантовой теории многоэлектронных систем.
• «Solid-State and Molecular Theory: A Scientific Biography» (1975) — автобиографическая книга, описывающая развитие квантовой теории в XX веке.

Награды и признание

За свою научную деятельность Слейтер был удостоен множества наград, включая:

• Медаль Ирвинга Ленгмюра (1931) — за вклад в химическую физику.
• Национальная медаль науки США (1969) — за фундаментальные исследования в области квантовой теории.
• Премия Уильяма Проктера (1970) — за достижения в физике.

Он был членом Национальной академии наук США (с 1932), Американской академии искусств и наук, а также иностранным членом Лондонского королевского общества (с 1974).

Личная жизнь и наследие

Слейтер был женат дважды. Первый брак с Элизабет Кэмпбелл (1926) закончился разводом в 1956 году; второй брак с Розмари Уайт (1958) продлился до его смерти. У него было двое детей от первого брака.

Умер 25 июля 1976 года во Флориде. Его имя носит премия Слейтера (John C. Slater Award) Американского физического общества, присуждаемая молодым учёным за выдающиеся работы в области теории твёрдого тела. Разработанные им методы остаются основой современных квантово-химических расчётов и моделирования материалов.

Источники

• Slater, J. C. (1975). Solid-State and Molecular Theory: A Scientific Biography. Wiley-Interscience.
• Morse, P. M. (1982). John Clarke Slater: A Biographical Memoir. National Academy of Sciences.
• Condon, E. U., & Shortley, G. H. (1935). The Theory of Atomic Spectra. Cambridge University Press.
• Löwdin, P. O. (1990). John C. Slater and the Development of Quantum Chemistry. International Journal of Quantum Chemistry.