Уильям А. Клемперер (6 октября 1927 г. — 5 ноября 2017 г.) — американский химик , физик-химик и молекулярный спектроскопист . Клемперер наиболее известен тем, что ввел методы молекулярного пучка в исследования химической физики, значительно расширив понимание не связанных взаимодействий между атомами и молекулами посредством разработки микроволновой спектроскопии молекул Ван-дер-Ваальса, образованных при сверхзвуковых расширениях, и стал пионером астрохимии , включая разработку первых газофазных химических моделей холодных молекулярных облаков , которые предсказали обилие молекулярного иона HCO + , что позже было подтверждено радиоастрономией . [1]
Билл Клемперер родился в Нью-Йорке в 1927 году в семье двух врачей. Он и его младший брат выросли в Нью-Йорке и Нью-Рошелле. [2] Он окончил среднюю школу Нью-Рошелле в 1944 году, а затем поступил на службу в Военно-морской воздушный корпус США , где прошел подготовку в качестве хвостового стрелка . [1] [2] Он получил степень бакалавра в Гарвардском университете в 1950 году по специальности «Химия» и получил степень доктора философии по физической химии под руководством Джорджа К. Пиментела в Калифорнийском университете в Беркли в начале 1954 года. [1]
Проработав один семестр преподавателем в Беркли, Билл вернулся в Гарвард в июле 1954 года. Хотя его первоначальное назначение было на должность преподавателя аналитической химии , что, как считалось, вряд ли приведет к должности преподавателя, [1] [2] в 1965 году он был назначен штатным профессором . [1] Он оставался связанным с химией Гарварда на протяжении всей своей долгой карьеры. В 1968-69 годах он находился в творческом отпуске в Кембриджском университете [2], а в 1979-81 годах был помощником директора по математическим и физическим наукам в Национальном научном фонде США . Он был приглашенным ученым в Bell Laboratories . Он также работал советником в NASA . [1] Клемперер стал почетным профессором в 2002 году, но продолжал активно заниматься как исследованиями, так и преподаванием.
Ранние работы Клемперера были сосредоточены на инфракрасной спектроскопии малых молекул, которые стабильны только в газовой фазе при высоких температурах. Среди них были щелочные галогениды, для многих из которых он получил первые колебательные спектры. Работа предоставила основные структурные данные для многих оксидов и фторидов и дала представление о деталях связи. Она также привела Клемперера к осознанию потенциала молекулярных пучков в спектроскопии и, в частности, использования техники электрического резонанса для решения фундаментальных проблем структурной химии.
Клемперер представил технику сверхзвукового охлаждения как спектроскопический инструмент [3] , который увеличил интенсивность молекулярных пучков, а также упростил спектры.
Клемперер помог основать область межзвездной химии. В межзвездном пространстве плотности и температуры чрезвычайно низки, и все химические реакции должны быть экзотермическими, без активационных барьеров. Химия управляется ионно-молекулярными реакциями, и моделирование Клемперером [4] тех, которые происходят в молекулярных облаках, привело к удивительно подробному пониманию их богатой, крайне неравновесной химии. Клемперер назначил HCO + в качестве носителя загадочной, но универсальной радиоастрономической линии "X-ogen" на частоте 89,6 ГГц, [5] о которой сообщили Д. Буль и Л. Э. Снайдер. [6]
Клемперер пришел к этому предсказанию, серьезно отнесясь к данным. Данные радиотелескопа показали изолированный переход без сверхтонкого расщепления; таким образом, в носителе сигнала не было ядер со спином один или больше, и это не был свободный радикал с магнитным моментом. HCN является чрезвычайно стабильной молекулой, и поэтому ее изоэлектронный аналог, HCO + , структура и спектры которого могли быть хорошо предсказаны по аналогии, также будет стабильным, линейным и иметь сильный, но разреженный спектр. Кроме того, химические модели, которые он разрабатывал, предсказывали, что HCO + будет одним из самых распространенных молекулярных видов. Лабораторные спектры HCO + (полученные позже Клодом Вудсом и др. , [7] ) доказали его правоту и тем самым продемонстрировали, что модели Хербста и Клемперера обеспечивают предсказательную основу для нашего понимания межзвездной химии.
Наибольшее влияние работы Клемперера оказало изучение межмолекулярных сил , области фундаментальной важности для всей молекулярной и нанонауки. До того, как Клемперер представил спектроскопию со сверхзвуковыми пучками, спектры слабосвязанных видов были почти неизвестны, будучи ограничены димерами нескольких очень легких систем. Измерения рассеяния давали точные межмолекулярные потенциалы для систем атом-атом, но в лучшем случае давали лишь ограниченную информацию об анизотропии потенциалов атом-молекула.
Он предвидел, что сможет синтезировать димеры почти любой пары молекул, которые он сможет разбавить в своем луче, и изучить их минимальную энергетическую структуру в мельчайших деталях с помощью вращательной спектроскопии. Позже это было распространено на другие спектральные области Клемперером и многими другими, и качественно изменило вопросы, которые можно было задать. В настоящее время для микроволновых и инфракрасных спектроскопистов стало обычным следовать его «двухшаговому синтезу» [8], чтобы получить спектр слабосвязанного комплекса: «Купите компоненты и расширьте». Клемперер буквально изменил изучение межмолекулярных сил между молекулами с качественной на количественную науку.
Димер фтористого водорода был первым комплексом с водородными связями, который изучался этими новыми методами, [9], и это была головоломка. Вместо простого спектра жесткого ротора, который дал бы переход 1 в 0 при 12 ГГц, самый низкочастотный переход наблюдался при 19 ГГц. Рассуждая по аналогии с хорошо известным туннельно-инверсионным спектром аммиака, Клемперер признал, что ключом к пониманию спектра было признание того, что HF–HF претерпевает квантовое туннелирование в FH–FH, меняя роли донора и акцептора протона.
Каждый уровень вращения был разделен на два туннельных состояния с энергетическим разделением, равным скорости туннелирования, деленной на постоянную Планка . Все наблюдаемые микроволновые переходы включали одновременное изменение вращательной и туннельной энергии. Частота туннелирования чрезвычайно чувствительна к высоте и форме барьера взаимопревращения и, таким образом, определяет потенциал в классически запрещенных областях. Разрешенные туннельные расщепления оказались обычным явлением в спектрах слабосвязанных молекулярных димеров.
Билл Клемперер имеет множество наград и почестей, среди которых: