Хершбах (Herschbach), Дадли Роберт

Американский химик Дадли Роберт Хершбах родился в г. Сан-Хосе (штат Калифорния) и был старшим из шести детей Роберта Дадли Хершбаха, подрядчика-строителя, и Дороти Эдит (в девичестве Биир) Хершбах. Живя в Калифорнии в сельской местности, Хершбах был заводилой в подвижных играх, занимался спортом. Его успешные выступления в сборной футбольной команде школ Кемпбела помогли ему получить стипендию для обучения и занятий футболом в Станфордском университете, где он играл за команду первого курса и был приглашен попробовать свои силы в профессиональный клуб «Лос-Анджелес рэмс». Вскоре, однако, увлечение учебой отодвинуло занятия спортом на второй план.

На второй год пребывания в Станфорде Хершбах начал проводить опыты по химической кинетике под руководством американского химика Гарольда С. Джонстона. В то время большинство экспериментальных проверок теории переходного состояния химических реакций основывалось на данных, полученных для сложных химических реакций. Джонстон предложил Хершбах измерить скорость простых химических реакций с целью прямой проверки этой теории. В 1954 г. Хершбах получил степень бакалавра по математике, хотя с таким же успехом мог квалифицироваться и по химии, и по физике. В 1955 г. он получил степень магистра химических наук за диссертацию, главы которой были посвящены разработке методов, позволявших производить более точные вычисления предэкспоненциальных коэффициентов для серии простых реакций при проверке теории переходного состояния. После окончания университета он продолжил свои исследования в Гарварде, где получил в 1956 г. степень магистра физических наук, а в 1958 г. – степень доктора по химической физике. Свою докторскую работу он выполнял совместно с сотрудниками группы американского химика Е. Брайта Уилсона, который впоследствии разработал новые изящные методы использования микроволновой спектроскопии для изучения молекулярной структуры и барьеров внутреннего молекулярного вращения. Хершбах внес значительный теоретический и экспериментальный вклад, разработав методы вычисления энергетических уровней внутримолекулярного вращения и вращения целых молекул.

Он был младшим членом совета колледжа Гарвардского университета (1957 – 1959), ассистент-профессором (1959 – 1961), а затем адъюнкт-профессором (1961 – 1963) химии Калифорнийского университета в Беркли. В 1963 г. он стал профессором химии Гарвардского университета. В Гарварде он являлся руководителем программы по химической физике (1964 – 1977), деканом химического факультета (1977 – 1980), а также членом факультетского совета (1980 – 1983).

Когда в конце 1959 г. Хершбах переехал в Беркли, знания о химических уровнях оставались на довоенном уровне. Квантовая теория, появившаяся в 1900 г., давала более точную картину структуры атомов и молекул и объясняла многие аспекты наблюдаемых химических процессов. Тем не менее химики все еще чрезвычайно мало знали о смешении веществ, контроле за температурой и давлением и идентификации продуктов реакции. Теоретические модели, остававшиеся в основном статичными, рассматривали реагирующие молекулы как сосуществующие рядом, случайным образом соударяющиеся одна с другой и создающие иногда новые перегруппировки. Еще будучи студентом, Хершбах заинтересовался открытыми одним из его профессоров молекулярными пучками, потоками молекул, пересекающими вакуумную камеру, в которой регистрируется изменение энергии. Этот метод позволил ему с большей точностью следить за индивидуальными молекулами в процессе их взаимодействия.

Хершбах начал изучение динамики молекулярных пучков в Беркли в то самое время, когда Джон Ч. Полани начал исследование химической динамики в Торонтском университете, используя другой метод, названный хемилюминисценцией, который, как оказалось, дополнял метод Хершбаха. Небольшая группа студентов и аспирантов вместе с Хершбахом сконструировала прибор, в котором два молекулярных пучка пересекались, при этом один пучок содержал атомы калия, а другой состоял из молекул углерода, водорода и йода. Детали реакции после пересечения этих потоков были изучены с помощью приспособления, названного детектором поверхностной ионизации. Состав компонентов пучков был определен с учетом того, что эти вещества эффективно вступают в реакцию (это доказал еще Майкл Полани, отец Джона Ч. Полани), а детектор, по сведениям других исследователей, удобен для наблюдения за продуктами реакции в условиях эксперимента. Уже в первых экспериментах Хершбаху удалось получить детальную динамику продуктивных молекулярных столкновений и зарегистрировать изменение энергии, сопровождающее образование продуктов реакции. Эта информация позволила группе Хершбаха охарактеризовать механизм реакции (названный отскок-механизмом) и обнаружить, что в большинстве случаев высвобождение химической энергии происходит в виде энергии колебания, сосредоточенной в продуктах реакции.

Пусть со значительными трудностями, но были проведены эксперименты и в более сложных вариантах с веществами того же класса. Эти результаты несколько отличались от предыдущих, так как механизм реакции был иным (так называемый стриппинт-механизм). Освобождающаяся энергия проявлялась больше в виде внутреннего возбуждения молекул, чем в виде кинетической энергии. Было изучено множество других реакций, особенно после того, как Хершбах в 1963 г. перешел в Гарвард, где продолжил свою работу. Его эксперименты охватили широкий спектр реакций, включающих и реакции со смешанным механизмом (с элементами обоих указанных выше механизмов), и реакции, протекающие с образованием и последующим распадом долгоживущего комплекса в процессе синтеза конечных продуктов. Полученные данные позволили осуществить проверку статистических теорий химических реакций и уяснить важную роль момента количества движения.

Несмотря на успехи в экспериментах с таким классом веществ, как щелочи (соединения, которые взаимодействуют с кислотами с образованием солей), дальнейший прогресс в исследованиях требовал усовершенствования оборудования, доведения его до универсальности. В 1967 г., выполняя постдокторские исследования в Гарварде, Хершбах начал работать вместе с Яном Ли. С несколькими студентами Ли начал проектировать и конструировать новую «супермашину», в которой были использованы сверхзвуковые нипели для создания пучков, перемещающийся масс-спектрометрический детектор (в котором создаются переменные электрическое и магнитное поля, что приводит к отклонению образующихся продуктов от первоначальной траектории в зависимости от их свойств, благодаря чему их можно собрать и идентифицировать), улучшенный дифференциальный насос для создания более глубокого вакуума, а также программа анализа скорости перемещения продуктов реакции и компьютеры для накопления данных. Закончив изготовление всей аппаратуры за 10 месяцев, Ли, Хершбах и их коллеги совершили своего рода революционный переворот в данном разделе науки. Были изучены, причем со значительно более высокой точностью, многие реакции, с более сложным молекулярным составом. В одной из реакций, включающей водород и хлор, группа Хершбаха определила распределение угловых скоростей и скоростей отскока для соединений, внутримолекулярные колебания которых определил Джон Полани с помощью метода хемилюминисценции. Результаты работы двух групп по изучению динамики этой реакции совпали даже в деталях. По результатам этого исследования Хершбах в глазах коллег предстал новатором, генератором идей, энтузиастом и вдохновителем научной мысли.

В 1986 г. Хершбах совместно с Ли и Полани был награжден Нобелевской премией по химии за фундаментальный вклад в развитие новой области – динамики химических реакций, что позволило более детально представить процесс их протекания. До проведения этой новой работы все исследователи химических реакций в основном рассматривали объемные системы и усредненный эффект многих случайных молекулярных столкновений, в то время как детали таких столкновений ускользали от их внимания. Хершбах сравнил эту ситуацию с бейсболом, где «целая тьма подающих мяч запускает тьму мячей на такой же тьме спортивных полей одновременно и где абсолютно нельзя понять, что же происходит». Изучение динамики реакций позволяет упростить игру таким образом, что наблюдатель может следить за тем, «как один подающий запускает один мяч на одном поле».

В 1964 г. Хершбах женился на Георгине Ли Ботиос, тоже химике, ассистенте декана Гарвардского колледжа; у них две дочери. Им нравится активный образ жизни, они обожают камерную музыку и даже играют на струнных инструментах, образуя семейный квартет. Обладая широким кругозором и остротой взгляда, Хершбах успешно занимается преподавательской деятельностью, пользуется большим влиянием на своих студентов и коллег. В течение пяти лет он и его жена являлись соруководителями клуба выпускников Гарвардского университета, привлекая многих студентов и младших преподавателей к учебной и общественной деятельности.

Кроме Нобелевской премии, Хершбах награжден премией по фундаментальной химии Американского химического общества (1965), медалью Спиерса Фарадеевского общества (1976), медалью к 100-летию Британского химического общества (1977), медалью Лайнуса Полинга Американского химического общества (1978) и премией Ирвинга Лэнгмюра по химической физике Американского физического общества (1983). Он является членом американской Национальной академии наук, Американской академии наук и искусств, Американского физического общества и Американской ассоциации фундаментальных наук. Ему присуждена почетная ученая степень Торонтского университета.