Джон Энтони Попл (; 31 октября 1925, Бернем-Он-Си — 15 марта 2004, Чикаго) — английский химик-теоретик, один из основателей современной вычислительной химии. Создатель одной из наиболее широко используемых квантово-химических программ Gaussian. Лауреат Нобелевской премии по химии (1998) и других престижных наград.
Биография
Ранние годы и образование Джон Попл родился в Бернем-он-Си в Сомерсете на юго-западе Англии. Его прадедушка по отцу поселился в Бернеме в середине XIX века и основал в этом городе небольшой бизнес. Дедушка Джона получил в наследство магазин одежды и передал его в управление отцу Джона, Герберту Киту Поплу, когда тот вернулся со службы в период Первой Мировой войны.
Мать Джона, Мэри Франсес Попл (урождённая Джонс) происходила из крестьянской семьи. Её отец хотел, чтобы Мэри была школьным учителем, но этому не суждено было сбыться: она стала заниматься обучением детей из богатой семьи, а позже, в период Первой мировой войны, была библиотекарем в армии. Большая часть её родственников были фермерами в Сомерсете и Уилтшире, поэтому Джон и его младший брат Дональд провели много времени на ферме.
Кит и Мери хотели, чтобы их дети чего-нибудь достигли и поэтому стремились устроить их в лучшие местные школы. Джон Попл учился в школе св. Маргариты (St Margaret’s School) в Бернем-он-Си в 1930—1932 годах и в колледже Бёрнема (англ. Burnham College) в 1932—1936 годах. Весной 1936 года он перешёл в , одну из лучших школ для мальчиков, которая располагалась в 30 милях от Бернем-он-Си. Преподаватели этой школы дали Джону хорошее образование, а также пробудили в мальчике интерес к науке.
В 12 лет Джон сильно заинтересовался математикой, к которой имел неординарные способности. Несколько лет спустя, после того, как он превосходно справился с трудной задачей, которую Поплу дал его новый учитель математики, было принято решение, что Джон должен получить математическое образование в Кембриджском университете.
Кембриджский университет (1942—1958) В 1942 году Джон Попл сдал вступительные экзамены в Тринити-колледж Кембриджского университета и поступил в этот университет осенью 1943 года. В мае 1945 года он успешно сдал вторую часть экзамена на степень бакалавра математики и остался в Тринити для продолжения обучения. Позже Джон был вынужден оставить Кембридж из-за того давления, которое оказывалось на университет в связи с необходимостью приёма демобилизованных военнослужащих, вернувшихся в Соединённое Королевство после войны. Поскольку областью его научных интересов в то время была газодинамика, Попл некоторое время работал в авиационной компании Бристоля, но в конечном итоге разочаровался в этой работе. В 1947 году он вернулся в Кембридж, чтобы сдать третью часть экзамена на степень бакалавра, уделяя значительное внимание теоретической физике. В процессе обучения он слушал лекции, читавшиеся такими учеными, как Г. Бонди, П. А. М. Дирак, Н. Кеммер, Ф. Хойл и Д. Леннард-Джонс. Увидев, какое множество талантливых людей работает над развитием квантовой электродинамики и описанием поведения элементарных частиц, Джон решил также работать в этой области науки. Он обратился к Джону Леннарду-Джонсу, который к тому времени имел несколько значимых работ по межатомным взаимодействиям, теории молекулярных орбиталей и теории жидкостей. В июле 1948 года Джон Попл начал работать на факультете теоретической химии в качестве аспиранта. Его руководителем стал глава факультета — Дж. Леннард-Джонс.
В 1953 году Леннард-Джонс покинул Кембридж, а на должность руководителя факультета теоретической химии был избран Хью Кристофер Лонге-Хиггинс. В 1954 году Джон начал читать здесь лекции по математике. По приглашению В. Шнайдера Попл летом 1956—1957 годов посещает лаборатории Национального научно-исследовательского совета Канады в Оттаве, чтобы ознакомиться с экспериментальными достижениями в спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР).
Национальная физическая лаборатория (1958—1964) В 1958 году Джон принял руководство новым подразделением фундаментальной физики в Национальной физической лаборатории Соединённого Королевства (Теддингтон, на юго-западе Лондона). Директором Национальной физической лаборатории в то время был уважаемый специалист по ИК-спектроскопии — Гордон Сатерленд, который недавно вернулся из Мичиганского университета. Джон надеялся, что его подразделение будет центром активных исследований, поэтому пригласил таких выдающихся учёных, как Дэвид Уиффен, Кит Мак-Лафлен, Рей Фриман и Раймонд Авраам.
Джон Попл со своей семьёй поселились в доме в Вейбридже. Этот период явился переломным в жизни учёного: по совету Боба Парра Джон в 1961—1962 годах много времени провел в технологическом институте Карнеги, который расположен в Питтсбурге, штат Пенсильвания. В этот период он решает подыскать должность в университете Соединённого Королевства или США, которая позволяла бы тратить больше времени на исследования. Рассмотрев достаточно большое количество предложений с американской стороны, он решает вернуться в Питтсбург в 1964 году.
Питтсбург (1964—1993) Джон Попл начал работу в технологическом институте Карнеги в должности профессора химической физики в марте 1964 года. В 1967 году, после объединения с институтом Меллон этот институт стал называться университетом Карнеги-Меллон, а Джон стал профессором естествознания.
Джон также являлся одним из основателей Международной Академии квантово-молекулярных исследований (англ. International Academy of Quantum Molecular Science), которая была основана в 1964 году, и был президентом этой академии в 1997—2000 годах.
В 1981 году все дети Попла покинули родительский дом, и Джон и Джой решили переехать в Иллинойс, поближе к своей дочери Хиллари и её семье. Они приобрели дом в Роджер Парк, в штате Чикаго, а позже, в 1988 году переехали в Уилметт. Джон продолжал дистанционно руководить своей исследовательской группой в Питтсбурге.
Северо-западный университет (1986—2004) Джон был адъюнкт-профессором химии в Северо-западном университете в Эванстоне, штат Иллинойс с 1986 года до выхода на пенсию в 1993 году. После этого он продолжил свои исследования совместно со своими коллегами из Северо-западного университета, включая Марка Ратнера и Джорджа Шарца.
В феврале 2004 года у Джона нашли неоперабельную форму рака, и 15 марта он умер дома, в окружении семьи. Поминальная служба была проведена в Первой Объединённой Методистской Церкви (англ. First United Methodist Church) в Эванстоне, штат Иллинойс.
Научные достижения
Теория молекулярных орбиталей Первая статья Джона — «Теория молекулярных орбиталей о химической валентности. IV. Значимость эквивалентных орбиталей»J. A. Pople and J. E. Lennard-Jones. The molecular orbital theory of chemical valency. IV. The significance of equivalent orbitals // Proc. R. Soc. A, 1950, v. 202, p. 166—180. была отправлена в печать 16 декабря 1949 года. В этой работе Попл и Леннард-Джонс продемонстрировали данную теорию на примере молекул воды и аммиака: они показали важность учёта неподелённых пар электронов при определении формы молекулы. В его второй статье, «Структура воды и схожих молекул»J. A. Pople. The molecular orbital theory of chemical valency. V. The structure of water and similar molecules // Proc. R. Soc. A, 1950, v. 202, p. 323—336., которая была отправлена в печать в тот же день, было показано, что электронная структура воды может быть описана двумя наборами из двух эквивалентных орбиталей, ориентированных в направлениях, близких к тетраэдрическим — две связи OH и две неподелённые пары. В части IXJ. A. Pople and J. E. Lennard-Jones. The molecular orbital theory of chemical valency. IX. The interaction of paired electrons in chemical bonds // Proc. R. Soc. A, 1951, v. 210, p. 190—206., Леннард-Джонс и Попл рассмотрели отталкивание двух электронов с противоположными спинами, занимающих одну пространственную орбиталь. В части XVIJ. A. Pople, A. C. Hurley and J. E. Lennard-Jones. The molecular orbital theory of chemical valency. XVI. A theory of paired electrons in polyatomic molecules // Proc. R. Soc. A, 1953, v. 220, p. 446—455. Эндрю Хёрли, Джон Попл и Джон Леннард-Джонс распространили теорию отталкивания электронных пар на насыщенные многоатомные молекулы.
В 1951 году Джон Попл получил докторскую степень (PhD) за диссертацию, озаглавленную «Орбитали неподеленных электронных пар». Также за эту диссертацию он получил статус научного сотрудника в Тринити.
Статистическая механика Помимо разработки теории молекулярных орбиталей, Джон также активно занимался статистической механикой. В трёх его работах под общим названием «Молекулярная ассоциация в жидкостях»J. A. Pople and J. E. Lennard-Jones. Molecular association in liquids. I. Molecular association due to lone-pair electrons // Proc. R. Soc. A, 1951, v. 205, p. 155—162.J. A. Pople. Molecular association in liquids. II. A theory of the structure of water // Proc. R. Soc. A, 1951, v. 205, p. 163—178.J. A. Pople. Molecular association in liquids. III. A theory of the cohesion of polar liquids // Proc. R. Soc. A, 1952, v. 215, p. 67-83. использовалась концепция неподелённых электронных пар для описания молекулярных взаимодействий в полярных жидкостях.
В своей работе по статистической механике молекул с осевой симметриейJ. A. Pople. The statistical mechanics of systems with non-central force fields // Discuss. Faraday Soc., 1953, v. 15, p. 35-43. Джон представил общий метод изучения термодинамических эффектов межмолекулярных сил. Впоследствии эту работу выбрали для публикации в книге «100 лет физической химии» (2003), изданной в честь столетия Фарадеевского общества.
Работа в области спектроскопии Джон Попл и Лонге-Хиггинс совместно работали над исследованиями электронного спектра поглощения ароматических молекул и спектральных сдвигов, обусловленных влиянием растворителя. Мотивация их работы над J. A. Pople. and H. C. Longuet-Higgins. Theory of the Renner effect in the NH2 radical // Mol. Phys., 1958, v. 1, p. 372—383. во многом была обусловлена экспериментальными спектроскопическими исследованиями радикала NH2, проведёнными Дресслером и Рамзи в 1959 году.
Развивавшаяся в то время спектроскопия ЯМР, зарекомендовала себя как новый мощный инструмент в химических исследованиях, и Джон быстро оценил важность этого аналитического метода: вместе с Уильямом Шнайдером Джон издаёт книгу под названием «Спектроскопия ЯМР высокого разрешения»J. A. Pople, W. G. Schneider and H. J. Bernstein. High-resolution nuclear magnetic resonance spectroscopy. New York: McGraw-Hill, 1959. 501 p.. Также Джон опубликовал несколько работ по ЯМР в первых выпусках журнала Molecular Physics, который начал издаваться в 1958 году под редакцией Лонге-Хиггинса.
Развитие полуэмпирических методов теоретической химии В 1952 году Попл сформулировал общий план развития математических моделей, которые смогли бы описать «всю химию» на достаточно хорошем уровне. В Питтсбурге Джон решил вернуться к фундаментальной проблеме электронной структуры. Возможности для развития теоретической химии существенно возросли за прошедшее время, главным образом ввиду быстрого развития ЭВМ. Возможно, Попл поздно оценил то, какую роль компьютеры могут сыграть в квантовой химии, однако в 1964 году очевидным фактом было то, что разработка эффективных компьютерных программ — одна из важных задач, стоящая перед теоретической химией. Джон активно взялся за эту задачу — и серьёзно преуспел в этом. Модель, которую он предложил, использует чётко-определённую процедуру для поиска приближённого решения стационарного уравнения Шрёдингера. Она включает следующие шагиJ. A. Pople. Two-dimensional chart of quantum chemistry // J. Chem. Phys., 1965, v. 43, p. S229-S230.:
1. Выбор подходящей точности вычислений. Для таких величин, как энергии ионизации или теплоты образования, приемлемой является точность около 1 ккал/моль.
2. Чётко формулируется математическая процедура поиска приближённого решения.