Фридрих Хунд

Фридрих Хунд (нем. Friedrich Hund; 4 февраля 1896, Карлсруэ — 31 марта 1997, Гёттинген) — немецкий физик-теоретик, известный работами в области квантовой механики, атомной и молекулярной спектроскопии. Внёс фундаментальный вклад в теорию строения атомов и молекул, в частности, сформулировал правила, определяющие порядок заполнения электронных оболочек (правила Хунда), и разработал один из методов описания молекулярных орбиталей (метод Хунда — Малликена). Его научная карьера охватывает более семи десятилетий, а работы оказали влияние на становление квантовой химии и физики твёрдого тела.

Биография

Ранние годы и образование

Фридрих Хунд родился в Карлсруэ в семье торговца. После окончания гимназии в 1915 году он поступил в Гёттингенский университет, где изучал математику и физику. Однако в том же году был призван на военную службу в Первую мировую войну, где служил в метеорологической службе. После войны вернулся к учёбе и в 1921 году защитил докторскую диссертацию под руководством Макса Борна, посвящённую теории рассеяния света на кристаллах.

Научная карьера

В 1922 году Хунд стал ассистентом Борна, а в 1925 году — приват-доцентом. В 1927 году он получил должность профессора теоретической физики в Ростокском университете. В 1929 году перешёл в Лейпцигский университет, где работал до 1946 года. В Лейпциге он сотрудничал с Вернером Гейзенбергом и развивал свои идеи в области молекулярной спектроскопии.

После Второй мировой войны, в 1946 году, Хунд переехал в Йену (ГДР), где возглавил кафедру теоретической физики в Йенском университете имени Фридриха Шиллера. Однако из-за политической напряжённости в 1951 году он перебрался в Западную Германию, во Франкфурт-на-Майне, а в 1956 году — в Гёттинген, где стал профессором Гёттингенского университета. Вышел на пенсию в 1964 году, но продолжал активную научную деятельность до глубокой старости. Скончался в Гёттингене в возрасте 101 года.

Научные достижения

Правила Хунда

Наиболее известным вкладом Хунда в физику являются правила Хунда (1925–1927), которые описывают порядок заполнения электронных оболочек в многоэлектронных атомах. Они гласят:

1. При заданном значении орбитального квантового числа \( l \) электроны стремятся занять максимальное число орбиталей с одинаковым спином (принцип максимальной мультиплетности). Это минимизирует энергию за счёт уменьшения кулоновского отталкивания.
2. Для данной электронной конфигурации наименьшую энергию имеет состояние с максимальным спином \( S \).
3. Если спины максимальны, то наименьшую энергию имеет состояние с максимальным орбитальным моментом \( L \).

Эти правила позволили предсказывать спектры атомов и объяснить, почему, например, атом азота в основном состоянии имеет три неспаренных электрона. Правила Хунда стали основой для понимания химической связи и магнитных свойств веществ.

Метод молекулярных орбиталей

Хунд совместно с Робертом Малликеном разработал метод молекулярных орбиталей (МО), который описывает электронное строение молекул. В отличие от метода валентных связей, МО рассматривает электроны как принадлежащие всей молекуле, а не отдельным атомам. В 1928 году Хунд опубликовал работу, где показал, как комбинировать атомные орбитали для получения молекулярных, и ввёл понятия связывающих и разрыхляющих орбиталей. Этот метод стал ключевым для квантовой химии и позволил объяснить спектры двухатомных молекул, таких как \( H_2 \), \( O_2 \) и \( N_2 \).

Туннельный эффект

В 1927 году Хунд впервые математически описал туннельный эффект — квантовое явление, при котором частица проходит через потенциальный барьер, преодолеть который по законам классической физики она не может. Он применил это к описанию расщепления энергетических уровней в двухатомных молекулах (например, в аммиаке), что позже легло в основу работы мазеров и лазеров.

Другие работы

Хунд внёс вклад в теорию симметрии кристаллов, теорию ферромагнетизма и квантовую теорию поля. Он разработал классификацию атомных спектров (типы связи Хунда), которая используется для описания электронных состояний в молекулах. В 1940-х годах он занимался теорией ядерных реакций и деления ядер, а в 1950-х — теорией твёрдого тела, в частности, зонной структурой.

Основные труды

Хунд опубликовал более 200 научных работ и несколько монографий, среди которых:

• «Введение в теоретическую физику» (1944–1951, в 5 томах) — один из первых систематических учебников по теоретической физике на немецком языке.
• «Теория строения материи» (1954) — обобщение его работ по квантовой механике и спектроскопии.
• «История квантовой теории» (1967) — историко-научный труд, в котором Хунд проследил развитие квантовой механики с 1900 по 1960 годы.

Признание и награды

Хунд был избран членом многих академий наук, включая:

• Гёттингенскую академию наук (с 1942),
• Академию наук ГДР (1949),
• Австрийскую академию наук (1965),
• Национальную академию наук США (1975).

В 1943 году он получил медаль Макса Планка — высшую награду Немецкого физического общества. В 1965 году удостоен премии Отто Гана по физике и химии. В его честь названы кратер на Луне и астероид (19084) Хунд.

Память

В Гёттингене и Ростоке установлены мемориальные доски на зданиях, где работал учёный. В 1996 году, к 100-летию Хунда, в Лейпциге прошла международная конференция по квантовой химии. Его имя носит Институт теоретической физики Йенского университета.

Источники

• Friedrich Hund: Geschichte der Quantentheorie. Mannheim, 1967.
• Werner Kutzelnigg: Friedrich Hund und die Quantenchemie. In: Physik in unserer Zeit, 1996, № 4.
• Некролог в Physikalische Blätter, 1997, № 6.
• Биографические данные на сайте Гёттингенской академии наук.