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John C. Slater

John Clarke Slater (22 de diciembre de 1900 – 25 de julio de 1976) fue un físico estadounidense que avanzó en la teoría de la estructura electrónica de átomos, moléculas y sólidos. [1] [2] [3] También hizo importantes contribuciones a la electrónica de microondas. [1] Recibió una licenciatura en física de la Universidad de Rochester en 1920 y un doctorado. Se licenció en física por Harvard en 1923 y luego realizó trabajos postdoctorales en las universidades de Cambridge (brevemente) y Copenhague . A su regreso a Estados Unidos se incorporó al departamento de física de Harvard.

En 1930, Karl Compton , presidente del MIT , nombró a Slater presidente del departamento de física del MIT. Reformó el plan de estudios universitario de física, escribió 14 libros entre 1933 y 1968 y construyó un departamento de prestigio internacional. Durante la Segunda Guerra Mundial, su trabajo sobre transmisión de microondas, realizado en parte en los Laboratorios Bell y en asociación con el Laboratorio de Radiación del MIT , fue significativo en el desarrollo del radar .

En 1950, Slater fundó el Grupo de Teoría Molecular y del Estado Sólido (SSMTG) dentro del departamento de física. Al año siguiente, renunció a la presidencia del departamento y pasó un año en el Laboratorio Nacional Brookhaven de la Comisión de Energía Atómica. Fue nombrado Profesor del Instituto de Física y continuó dirigiendo el trabajo en el SSMTG hasta que se retiró del MIT en 1965, a la edad de jubilación obligatoria de 65 años.

Luego se unió al Proyecto de Teoría Cuántica de la Universidad de Florida como profesor investigador, donde la edad de jubilación le permitió trabajar otros cinco años. El SSMTG ha sido considerado [1] como el precursor del Centro de Ciencia e Ingeniería de Materiales (CMSE) del MIT. [4] Su autobiografía científica [5] y tres entrevistas [6] [7] presentan sus puntos de vista sobre la investigación, la educación y el papel de la ciencia en la sociedad.

Slater fue nominado al Premio Nobel , tanto en física como en química, varias veces [8] y recibió la Medalla Nacional de Ciencias en 1970. En 1964, Slater y su padre, que entonces tenía 92 años, que había dirigido el Departamento de Inglés de la Universidad de Rochester muchos años antes, esa universidad les otorgó títulos honoríficos. El nombre de Slater forma parte de los términos teoría de Bohr-Kramers-Slater , determinante de Slater y orbital de Slater .

Temprana edad y educación

El padre de Slater, nacido en Virginia, que había estudiado en Harvard, se convirtió en jefe del Departamento de Inglés de la Universidad de Rochester, que también sería el alma mater de Slater. Los intereses juveniles de Slater estaban relacionados con la mecánica, la química y la electricidad. Cuando Slater ingresó a la Universidad de Rochester en 1917, tomó cursos de física y, en su último año, ayudó en el laboratorio de física e hizo su primera investigación independiente para una tesis especial con honores, una medición de la dependencia de la presión de las intensidades de las líneas de Balmer del hidrógeno. .

Fue aceptado en la escuela de posgrado de Harvard, con la posibilidad de elegir entre una beca o una ayudantía. Eligió la ayudantía, durante la cual trabajó para Percy W. Bridgman . Siguió los cursos de física fundamental de Bridgman y se introdujo en la entonces nueva física cuántica con los cursos de EC Kemble. Completó el trabajo para el Ph.D. en tres años al publicar su artículo (1924) Compressibility of the Alkali Halides , que incorporaba el trabajo de tesis que había realizado con Bridgman. Su corazón estaba en la teoría, y su primera publicación no fue su tesis doctoral, sino una nota (1924) para Nature on Radiation and Atoms. [9]

Después de recibir su doctorado, Slater obtuvo una beca Hamard Sheldon para estudiar en Europa. Pasó una temporada en Cambridge, Inglaterra, antes de ir a Copenhague. No lo pasó muy bien trabajando con Bohr, a quien encontraba dominante y lamentó que su nombre estuviera vinculado a la desafortunada teoría de Bohr-Kramers-Slater (BKS) . Slater ya tenía la idea de que era el fotón el que transportaba la energía de radiación. Según relata:

Bohr fue muy amable, me invitó a la cena de Navidad, le hablé de mis ideas [de fotones], pensó que estaban bien, "pero, verás, son demasiado definidas". Ahora no podemos tener esta conservación exacta. "No debemos pensar demasiado específicamente en los fotones. No tenemos fotones así". En otras palabras, quería que todo fuera lo más vago posible. Kramers siempre fue el "hombre que sí" de Bohr y quería hacer exactamente lo mismo. Dijo: "Esta es una buena idea, si la modificamos". de tal y cual manera”. Eso fue lo último que vi. Bohr y Kramers escribieron el artículo, me invitaron a firmarlo, la carta a Nature era el primer párrafo del artículo, me invitaron a firmarlo, lo tomas o lo dejas. Fue mi experiencia con el Sr. Bohr y el Sr. Kramers. Desde entonces, se ha desarrollado de una manera muy interesante, es decir, que yo tenía razón y ellos estaban equivocados. No se dieron cuenta de esto hasta que el Sr. Bothe vino con su experimento. "Mostrando que los fotones estaban realmente ahí. Así que fallé completamente en establecer conexión con Bohr. Podría haber hecho conexiones con Kramers si no hubiera sido por Bohr, pero Kramers estaba completamente jugando el juego de Bohr.

—  John C. Slater en relación con Thomas Kuhn, [10]

En el lado positivo, el nombre de Slater era ahora bien conocido por su asociación con el de Bohr. Al regresar a Estados Unidos, Slater se unió al Departamento de Física de Harvard.

Carrera profesional

Presidente del Departamento de Física del MIT

Cuando asumió la presidencia del MIT, Karl Compton "cortejo" a Slater para que presidiera el departamento de física. [11] "La administración (del Departamento) tomó mucho tiempo, más tiempo del que él (Slater) hubiera preferido. John era un buen presidente". [1] Los siguientes elementos de las ediciones sucesivas del Informe anual del presidente del MIT [12] rastrean el crecimiento y la visibilidad del Departamento bajo el liderazgo de Slater, antes de la Segunda Guerra Mundial, y la capacidad del departamento para contribuir a la defensa durante la guerra. Las dos primeras citas pertenecen a capítulos escritos por Compton en los informes sucesivos. Las otras citas provienen de las secciones sobre el departamento que escribió Slater. Estas incluyen declaraciones que afectan las políticas de educación e investigación en física en general, y muestran su profundo compromiso con ambas.

Creación de laboratorios interdepartamentales, mediante la reestructuración de los laboratorios existentes tomando como modelo la conversión del Laboratorio de Radiaciones en Laboratorio de Investigación en Electrónica (RLE) realizada por Julius Stratton y Albert Hill .
Financiar ayudas estudiantiles y ayudar a configurar el papel de la financiación gubernamental a una escala sin precedentes.
Supervisa el Centro de Radiactividad de Robley Evans (que contiene un ciclotrón) y el Laboratorio de Alto Voltaje de Van de Graaff.
Reclutar físicos familiarizados con el proyecto Manhattan para construir el Laboratorio de Ciencia e Ingeniería Nuclear. [17] Esto fue dirigido por Jerrold Zacharias . Sus primeros miembros incluyeron a Bruno Rossi y Victor Weisskopf .
Creación del Laboratorio de Acústica, dirigido por Richard Bolt , y del Laboratorio de Espectroscopia dirigido por el químico Richard Lord .

Durante su presidencia, Slater enseñó, escribió libros, produjo ideas de gran importancia científica e interactuó con colegas de las comunidades científicas locales, nacionales e internacionales. A nivel personal, Morse afirma: "Durante la mayor parte (de la década de 1930) parecía más un estudiante que un jefe de departamento... podía hacer que sus invitados se rieran simplemente contando... en danés". [1] Mucho más tarde, SB Trickey escribió: "Aunque llegué a conocerlo razonablemente bien, nunca pude llamar a JC Slater por su nombre de pila. Su aparente distanciamiento resultó ser más bien timidez". [19]

Investigación

Átomos, moléculas y sólidos: investigaciones anteriores a la Segunda Guerra Mundial

Volviendo en el tiempo a 1920, Slater había ido a Harvard para trabajar en un doctorado. con Percy Bridgman , quien estudió el comportamiento de sustancias bajo presiones muy altas. Slater midió la compresibilidad de la sal común y otros diez haluros alcalinos: compuestos de litio, sodio, potasio y rubidio, con flúor, cloro y bromo. Describió los resultados como "exactamente de acuerdo con las opiniones recientes de Bohr sobre la relación entre la estructura electrónica y la tabla periódica". Esto alineó la observación de Slater sobre las propiedades mecánicas de los cristales iónicos con la teoría que Bohr había basado en la espectroscopia de elementos gaseosos. Escribió el artículo sobre haluro alcalino en 1923, "para el verano de 1922" había sido "completamente adoctrinado... en la teoría cuántica", en parte por los cursos de Edwin Kemble tras su fascinación por el trabajo de Bohr durante su época universitaria. [20] En 1924, Slater fue a Europa con una beca Harvard Sheldon. [21] Tras una breve estancia en la Universidad de Cambridge , pasó a la Universidad de Copenhague , donde "explicó a Bohr y Kramers su idea (que era) una especie de precursora del principio de dualidad , (de ahí) el célebre paper" sobre el trabajo que otros denominaron teoría de Bohr-Kramers-Slater (BKS) . "Slater de repente se convirtió en un nombre conocido internacionalmente". [20] El interés en este artículo sobre la "vieja teoría cuántica" disminuyó con la llegada de la mecánica cuántica completa, pero la biografía de Philp M. Morse afirma que "en los últimos años se ha reconocido que las ideas correctas en el artículo son las de Slater ". [9] Slater analiza sus primeros años de vida a través del viaje a Europa en una entrevista transcrita. [6]

Slater se unió a la facultad de Harvard a su regreso de Europa en 1925 y luego se mudó al MIT en 1930. Sus trabajos de investigación cubrieron muchos temas. Una selección año tras año, hasta su paso al trabajo relacionado con el radar, incluye:

En sus memorias, [1] Morse escribió "Además de otros artículos notables... sobre... el campo autoconsistente de Hartree , [28] la derivación mecánica cuántica de la constante de Rydberg , [29] y los mejores valores de las variables atómicas" . constantes de blindaje , [31] escribió un artículo fundamental sobre la valencia dirigida [32] " (lo que se conoció, más tarde, como combinación lineal de orbitales atómicos ). En comentarios adicionales, [20] John Van Vleck presta especial atención a (1) el estudio de 1925 sobre los espectros del hidrógeno y el helio ionizado, [25] que JVV considera que le falta una frase para proponer el espín del electrón (lo que habría llevado a compartir un Premio Nobel), y (2) lo que JVV considera el mejor artículo de Slater, que introdujo el objeto matemático ahora llamado determinante de Slater . [30] "Estos fueron algunos de los logros (que llevaron a su) elección a la Academia Nacional... a los... treinta y un años. Desempeñó un papel clave en elevar la física teórica estadounidense a un alto nivel internacional". [20] Los estudiantes de doctorado de Slater, durante este tiempo, incluyeron a Nathan Rosen Ph.D. en 1932 para un estudio teórico de la molécula de hidrógeno, y William Shockley Ph.D. 1936 por una estructura de bandas de energía del cloruro de sodio, quien más tarde recibió el Premio Nobel por el descubrimiento del transistor.

La investigación durante la guerra y el regreso a las actividades en tiempos de paz.

Slater, en su trabajo experimental y teórico sobre el magnetrón (los elementos clave eran paralelos a su trabajo anterior con campos autoconsistentes para átomos [1] ) y en otros temas en el Laboratorio de Radiación y en los Laboratorios Bell hizo "más que cualquier otra persona para proporcionar la comprensión necesaria para avanzar en el campo de las microondas", en palabras de Mervin Kelley, entonces director de los Laboratorios Bell, citado por Morse. [1]

Las publicaciones de Slater durante la guerra y la recuperación de la posguerra incluyen un libro y artículos sobre transmisión de microondas y electrónica de microondas, [48] [49] aceleradores lineales , [50] criogenia , [51] y, con Francis Bitter y varios otros colegas , superconductores , [52] Estas publicaciones dan crédito a muchos otros científicos, matemáticos e ingenieros que participaron. Entre ellos, George H. Vineyard recibió su Ph.D. con Slater en 1943 para un estudio de la carga espacial en la cavidad del magnetrón. Posteriormente, se convirtió en director del Laboratorio Nacional Brookhaven y presidente de la Sociedad Estadounidense de Física. [53] El trabajo del Laboratorio de Radiación fue paralelo a la investigación en el Establecimiento de Investigación de Telecomunicaciones en Inglaterra y los grupos mantuvieron un enlace productivo. [48]

El Grupo de Teoría Molecular y del Estado Sólido

Actividades

En palabras de Robert Nesbet: "Slater fundó el SSMTG con la idea de reunir a una generación más joven de estudiantes y postdoctorados con un interés común en la estructura electrónica y las propiedades de los átomos, moléculas y sólidos. Esto fue en parte para servir como equilibrio para que la física electrónica sobreviva al abrumador crecimiento de la física nuclear después de la guerra". [54]

George F. Koster pronto completó su doctorado, se unió a la facultad y se convirtió en el miembro principal del grupo. Escribió: "Durante los quince años de vida del grupo, unas sesenta personas fueron miembros y treinta y cuatro obtuvieron títulos de doctorado con tesis relacionadas con su trabajo. En mi informe no he podido separar el trabajo de Slater del del grupo como tal. un todo. Él fue parte de cada aspecto de los esfuerzos de investigación del grupo ". [55]

Nesbet continuó: "Cada mañana en SSMTG comenzaba con una sesión de café, presidida por el profesor Slater, con los miembros jóvenes sentados alrededor de una mesa larga... Se esperaba que cada miembro del grupo contribuyera con un resumen de su propio trabajo e ideas al Quarterly Informe de progreso". [54] Los QPR del SMMTG tuvieron una amplia distribución en bibliotecas de investigación universitarias e industriales, y en laboratorios individuales. Fueron citados ampliamente por su contenido científico y biográfico, en artículos de revistas e informes gubernamentales y las bibliotecas están comenzando a publicarlos en línea. [56]

Para comenzar el trabajo del grupo, Slater "destiló su experiencia con el método de campo autoconsistente de Hartree " en (1) una simplificación que llegó a conocerse como el método Xα, [57] y (2) una relación entre una característica de este método y una propiedad magnética del sistema. [58] Estos requirieron cálculos que eran excesivos para el trabajo de "lápiz y papel". Slater aprovechó rápidamente el SSMTG de las computadoras electrónicas que se estaban desarrollando. Uno de los primeros artículos sobre ondas planas aumentadas [59] utilizó una calculadora programada con una tarjeta IBM. El Whirlwind se utilizó mucho, luego el IBM 704 en el Centro de Computación del MIT y luego el IBM 709 en el Laboratorio de Computación Cooperativa (ver más abajo).

El trabajo en estado sólido avanzó más rápidamente al principio en el SSMTG, con contribuciones durante los primeros años de George F. Koster, John Wood, Arthur Freeman y Leonard Mattheis. También florecieron los cálculos moleculares y atómicos de la mano de Fernando J. Corbató , Lee Allen y Alvin Meckler. Este trabajo inicial siguió las líneas marcadas en gran medida por Slater. Michael Barnett llegó en 1958. A él y a John Wood se les designó como profesores. Robert Nesbet, Brian Sutcliffe, Malcolm Harrison y Levente Szasz aportaron una variedad de enfoques adicionales a los problemas moleculares y atómicos. Jens Dahl, Alfred Switendick, Jules Moskowitz, Donald Merrifield y Russell Pitzer continuaron trabajando sobre moléculas, y Fred Quelle sobre sólidos.

Slater rara vez incluía su nombre en los documentos de los miembros del SSMTG que trabajaron con él. Los principales trabajos de los que fue coautor trataron sobre aplicaciones de (1) teoría de grupos en cálculos de estructuras de bandas [60] y (2) características equivalentes de combinación lineal de orbitales atómicos (LCAO) , unión estrecha y aproximaciones de electrones de Bloch , para interpolar resultados. para los niveles de energía de los sólidos, obtenidos mediante métodos más precisos, [61]

Gente

Una lista parcial de los miembros del SSMTG (estudiantes de doctorado, miembros postdoctorales, personal de investigación y profesores, en algunos casos sucesivamente, etiquetados †, ‡, ৳, ¶), junto con referencias que informan sobre su SSMTG y actividades posteriores. , sigue.

Entre los visitantes distinguidos se encontraban Frank Boys , Alex Dalgarno , Ugo Fano , Anders Fröman, Inga Fischer-Hjalmars , Douglas Hartree , Werner Heisenberg , Per-Olov Löwdin , Chaim Pekeris , Ivar Waller y Peter Wohlfarth .

Otras actividades de Slater en el MIT durante este tiempo

En el Informe del Presidente de 1962, Jay Stratton escribió (en la página 17) "Un comité de profesores bajo la presidencia del profesor John C. Slater ha asumido la responsabilidad principal de planificar las instalaciones del nuevo Centro de Materiales. Estas incluyen un nuevo Laboratorio de Computación Cooperativa completado este año y equipado con una computadora IBM 709". [12]

Poco después se adoptó el nombre Centro de Ciencia e Ingeniería de Materiales (CMSE). Encarnaba el espíritu de investigación y enseñanza interdepartamental que Slater había propugnado a lo largo de su carrera. [5] El primer director fue RA Smith, anteriormente jefe de la división de física del Royal Radar Establishment en Inglaterra. Él, Slater y Charles Townes , el rector, se conocían estrechamente desde los primeros años de la Segunda Guerra Mundial y trabajaban en temas superpuestos. [83]

El centro se creó de acuerdo con los planes de Slater. "Apoyó la investigación y la enseñanza en metalurgia y ciencia de materiales, ingeniería eléctrica, física, química e ingeniería química", [83] y preservó al MIT como un foco para el trabajo en física del estado sólido. En 1967, dos años después de que Slater se fuera, el Departamento de Física del MIT "tenía un compromiso muy, muy pequeño con la física de la materia condensada" porque estaba "muy interesado en la física de altas energías". [84] Pero en el mismo año, el personal del CMSE incluía 55 profesores y 179 estudiantes de posgrado. [83] El Centro continúa floreciendo en el siglo XXI. [4]

El Laboratorio de Computación Cooperativa (CCL) fue utilizado, en su primer año, por unos 400 profesores, estudiantes y personal. Estos incluían (1) miembros del SSMTG y el CCL que ejecutaban cálculos de mecánica cuántica y aplicaciones no numéricas [63] dirigidos por Slater, Koster, Wood y Barnett, (2) el equipo de diseño asistido por computadora de Ross , Coons y Mann, (3) miembros del Laboratorio de Ciencias Nucleares, (4) Charney y Phillips en meteorología teórica, y (5) Simpson y Madden en geofísica (del informe del presidente de 1964, págs. 336-337). [12]

Vida personal y muerte.

En 1926 se casó con Helen Frankenfeld. Sus tres hijos (Louise Chapin, John Frederick y Clarke Rothwell) siguieron carreras académicas. Slater se divorció y en 1954 se casó con Rose Mooney , física y cristalógrafa, quien se mudó con él a Florida en 1965. [1] [9]

En la Universidad de Florida (Gainesville), donde la edad de jubilación era los 70 años, Slater pudo disfrutar de otros cinco años de investigación y publicación activa como profesor investigador en el Proyecto de Teoría Cuántica (QTP). En 1975, en su autobiografía científica, escribió: "El Departamento de Física de Florida era agradable, con especial énfasis en la física del estado sólido, la física estadística y campos relacionados. Me recordó al departamento del MIT en los días en que yo había sido departamento Dirígete allí. Estaba muy lejos del Departamento de Física del MIT que estaba dejando; para entonces había sido literalmente capturado por los teóricos nucleares ". [5] Slater publicó hasta el final de su vida: su último artículo, publicado con John Connolly en 1976, trataba sobre un enfoque novedoso de la teoría de los orbitales moleculares. [85]

Slater murió en Sanibel Island, Florida en 1976.

Como educador y asesor

La preocupación de Slater por los demás se ilustra en un diálogo que relata Richard Feynman . Tuvo lugar al final de sus días universitarios en el MIT, cuando quería quedarse para hacer un doctorado. [86] "Cuando fui al profesor Slater y le conté mis intenciones, me dijo: 'No lo tendremos aquí'. Le dije: '¿Qué?' Slater dijo: "¿Por qué crees que deberías ir a la escuela de posgrado en el MIT?" 'Porque es la mejor escuela de ciencias del país'... 'Por eso deberías ir a otra escuela. Deberías descubrir cómo es el resto del mundo'. Así que fui a Princeton... Slater tenía razón. Y a menudo aconsejo a mis alumnos lo mismo. Aprendan cómo es el resto del mundo. La variedad vale la pena".

Resumen

De las memorias de Philip Morse: "Contribuyó significativamente al inicio de la revolución cuántica en la física; fue uno de los pocos físicos formados en Estados Unidos en hacerlo. Fue excepcional porque persistió en la exploración atómica, molecular y sólida. física estatal, mientras que muchos de sus pares se vieron obligados por la guerra, o tentados por la novedad, a desviarse hacia los misterios nucleares". [1]

Parafraseando a John Connolly, [87] se puede decir que las contribuciones de John C. Slater y sus estudiantes en el SSMTG y el Quantum Theory Project sentaron las bases de la aproximación de la teoría del funcional de densidad en la teoría cuántica.

Los artículos de Slater fueron legados a la Sociedad Filosófica Estadounidense por su viuda, Rose Mooney Slater, en 1980 y 1982. [88] En agosto de 2003, Alfred Switendick donó una colección de informes trimestrales del Grupo de Teoría Molecular y del Estado Sólido del MIT (SSMTG) . que data de 1951 a 1965.

Premios y honores

Libros

Referencias

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