Джон Слейтер¶

Джон Слейтер (англ. John Slater; 22 августа 1900, Блэкпул, Великобритания — 25 июля 1969, там же) — британский физик-теоретик и химик, один из основоположников современной квантовой теории твёрдого тела и квантовой химии. Наиболее известен работами по теории кристаллического поля, методу Хартри — Фока (включая слейтеровские орбитали и детерминант Слейтера), а также вкладом в теорию валентности и магнетизма.

¶Биография

Джон Кларк Слейтер родился в Блэкпуле (графство Ланкашир) в семье преподавателя. В 1917 году поступил в Кембриджский университет, где изучал математику и физику. В 1923 году получил степень бакалавра, а в 1926 году — докторскую степень (PhD) под руководством Ральфа Фаулера. В 1927—1928 годах стажировался в Копенгагене у Нильса Бора, где познакомился с квантовой механикой.

В 1928 году Слейтер вернулся в Великобританию и начал преподавать в Кембридже. В 1930 году он стал профессором теоретической физики в Манчестерском университете, где проработал до 1945 года. В этот период он опубликовал серию работ по теории твёрдого тела, включая знаменитую статью 1930 года «Квантовая теория кристаллического поля», которая заложила основы для понимания магнетизма и оптических свойств твёрдых тел.

В 1945 году Слейтер перешёл в Оксфордский университет, где возглавил кафедру теоретической физики. В 1950-е годы он активно занимался квантово-химическими расчётами, разрабатывая методы для многоэлектронных систем. В 1956 году он был избран членом Лондонского королевского общества (FRS). Слейтер вышел на пенсию в 1965 году, но продолжал научную работу до своей смерти в 1969 году.

¶Научные достижения

¶Квантовая теория твёрдого тела

Слейтер внёс фундаментальный вклад в теорию кристаллического поля. В 1930 году он предложил модель, описывающую взаимодействие электронов в кристалле с периодическим потенциалом решётки. Эта модель, известная как «метод Слейтера — Костера», позволила объяснить магнитные свойства переходных металлов и их соединений. Слейтер также разработал теорию зонной структуры, введя понятие «слейтеровских зон» — энергетических зон, возникающих при расщеплении атомных уровней в кристалле.

¶Метод Хартри — Фока и детерминант Слейтера

Слейтер усовершенствовал метод Хартри — Фока, предложив в 1929 году использовать детерминант (определитель) для представления многоэлектронной волновой функции. Детерминант Слейтера — это антисимметричная комбинация одноэлектронных орбиталей, удовлетворяющая принципу Паули. Этот подход стал основой для большинства современных квантово-химических расчётов.

¶Слейтеровские орбитали

Для упрощения расчётов Слейтер в 1930 году предложил аппроксимацию атомных орбиталей, известную как «слейтеровские орбитали» (STO, Slater-type orbitals). Эти орбитали имеют вид:

\[ \chi(r) = N r^{n-1} e^{-\zeta r} Y_{lm}(\theta, \phi) \]

где \(N\) — нормировочная константа, \(n\) — главное квантовое число, \(\zeta\) — экспоненциальный параметр, \(Y_{lm}\) — сферическая гармоника. Слейтеровские орбитали широко используются в полуэмпирических методах квантовой химии, таких как метод Хюккеля и метод ППП (Паризера — Парра — Попла).

¶Теория валентности

Слейтер внёс вклад в теорию валентности, развив концепцию гибридизации орбиталей. В 1931 году он совместно с Линусом Полингом предложил модель гибридных орбиталей для объяснения геометрии молекул (например, sp³-гибридизация в метане). Слейтер также разработал теорию валентных связей, основанную на методе валентных схем (VB), который позволяет описывать химические связи как перекрывание атомных орбиталей.

¶Магнетизм

Слейтер внёс важный вклад в теорию магнетизма, объяснив природу ферромагнетизма в переходных металлах. В 1936 году он предложил модель, в которой ферромагнетизм возникает из-за обменного взаимодействия между электронами на d-орбиталях. Эта модель, известная как «модель Слейтера — Паулинга», до сих пор используется для описания магнитных свойств твёрдых тел.

¶Основные труды

Слейтер опубликовал более 200 научных статей и несколько монографий. Наиболее известные книги:

• Quantum Theory of Matter (1951) — учебник по квантовой механике для физиков и химиков.
• Quantum Theory of Atomic Structure (1960) — двухтомное издание, посвящённое теории атомных спектров.
• Quantum Theory of Molecules and Solids (1963—1965) — четырёхтомная серия, охватывающая квантовую химию и физику твёрдого тела.

¶Признание и награды

• Член Лондонского королевского общества (1956).
• Медаль Макса Планка (1965) — за выдающиеся достижения в теоретической физике.
• Почётный доктор университетов Манчестера и Оксфорда.

¶Влияние и наследие

Работы Слейтера оказали огромное влияние на развитие квантовой химии и физики твёрдого тела. Детерминант Слейтера и слейтеровские орбитали остаются стандартными инструментами в квантово-химических расчётах. Его модель кристаллического поля используется для объяснения магнетизма, оптических свойств и каталитической активности переходных металлов. В честь Слейтера названы:

• Слейтеровские орбитали (STO).
• Детерминант Слейтера.
• Модель Слейтера — Костера.
• Уравнение Слейтера — Паулинга.

¶Источники

• Slater, J. C. Quantum Theory of Matter. — New York: McGraw-Hill, 1951.
• Slater, J. C. Quantum Theory of Atomic Structure. — New York: McGraw-Hill, 1960.
• Slater, J. C. Quantum Theory of Molecules and Solids. — New York: McGraw-Hill, 1963—1965.
• Parr, R. G. The Quantum Theory of Molecular Electronic Structure. — New York: Benjamin, 1963.
• Lowdin, P. O. John C. Slater: A Personal Reminiscence // International Journal of Quantum Chemistry. — 1970. — Vol. 4, Issue S4. — P. 1—5.