Наука и жизнь, 1999 № 01

Нобелевская премия по химии за 1998 год присуждена двум ученым, работающим в США, – Вальтеру Кону и Джону Поплу, как основателям нового направления – квантовой химии, революционизировавшего эту древнюю науку.

Еще в начале XX века, когда появилась квантовая теория, стало ясно, что в принципе она позволит рассчитывать поведение электронов и атомных ядер при химических реакциях, а также свойства возникающих молекул. Однако на практике такие расчеты долго оставались невозможными – уж очень сложны математические уравнения квантовой механики для комплексных объектов вроде молекул и даже отдельных атомов со множеством движущихся электронов.

В 1964 году Вальтер Кон, австрийский физик, работающий в США, создал теорию, согласно которой для подобных расчетов не обязательно знать и учитывать движение каждого отдельного электрона в молекуле или атоме. Достаточно знать среднее количество электронов, которые могут находиться в данной точке пространства (так называемая электронная плотность). Этой теорией Кон заложил основы новой отрасли науки – квантовой химии. Сложные уравнения стали поддаваться расчету.

В 1970 году английский математик и физик Джон Попл создал первый вариант компьютерной программы для таких расчетов. Компьютеру сообщают свойства молекулы или параметры химической реакции, и он, исходя из законов квантовой механики, выдает описание свойств молекулы или того, как может проходить данная реакция. С тех пор Попл неоднократно совершенствовал свою программу, сейчас ее используют тысячи химиков во всем мире. Программа, разработанная Поплом, позволяет рисовать на экране компьютера форму молекулы, если известно, из каких атомов она состоит. В начале 90-х годов Попл включил в свой метод теорию Кона, что позволило рассчитывать свойства и форму даже весьма сложных молекул, например белковых.

Доктор технических наук А. ШИПЕЙКО.

Тонкая золотая пластинка помещена в магнитное поле Н. Вдоль пластинки проходит электрический ток I, величина которого определяется приложенным напряжением V и омическим сопротивлением R пластинки. Эффект Холла заключается в появлении разности потенциалов V в направлении, перпендикулярном и току, и магнитному полю. Холловское сопротивление в этом направлении Rh = Vh/I.

Сотрудник знаменитых Белловских лабораторий Хорст Л. Штормер и профессор Принстонского университета Дэниел С. Цуи экспериментально обнаружили эффект, который сегодня можно объяснить лишь наличием объектов, несущих электрический заряд, равный 1/3 е (е – заряд электрона). Оба исследователя и профессор Стэнфордского университета Роберт Б. Лохлин, который смог объяснить результаты их экспериментов, были удостоены Нобелевской премии по физике 1998 года. Похоже, что фундаментальность одного из краеугольных камней современной физики – величину наименьшего возможного электрического заряда – приходится подвергать сомнению. Однако пока трек частицы с дробным зарядом не будет обнаружен в пузырьковой камере или на фотоэмульсии, есть время продумать и осознать событие, которое так или иначе имеет огромное научное и практическое значение. Но в чем же состоит это событие?

В конце прошлого века атом рассматривали как последний неделимый фрагмент вещества. Открытие электрона в 1897 году показало, что атом имеет сложное строение. Его «составные части» назвали элементарными частицами. Вскоре выяснилось, что и они не элементарны, а способны по определенным законам распадаться. На пути изучения законов микромира родилась квантовая механика.

Лауреаты Нобелевской премии по физике 1998 года: Дэниел Цуи, Роберт Лохлин, Хорст Штормер.

Изменение холловского сопротивления в разных экспериментах. Диагональная линия сверху – измерения Эдвина Холла 1879 года. Левая часть нижней кривой – результаты Клауса фон Клитцинга 1980 года – сопротивление меняется скачками в целое число раз. Правая часть: в области сильных магнитных полей сопротивление, а следовательно, и заряд пропорциональны дробной величине заряда электрона.