Добавить новость
smi24.net
News in English
Август
2023

Before developing the atomic bomb, J. Robert Oppenheimer’s early work revolutionized the field of quantum chemistry – and his theory is still used today

0

The release of the film “Oppenheimer,” in July 2023, has renewed interest in the enigmatic scientist J. Robert Oppenheimer’s life. While Oppenheimer will always be recognized as the father of the atomic bomb, his early contributions to quantum mechanics form the bedrock of modern quantum chemistry. His work still informs how scientists think about the structure of molecules today.

Early on in the film, preeminent scientific figures of the time, including Nobel laureates Werner Heisenberg and Ernest Lawrence, compliment the young Oppenheimer on his groundbreaking work on molecules. As a physical chemist, Oppenheimer’s work on molecular quantum mechanics plays a major role in both my teaching and my research.

The Born-Oppenheimer approximation

In 1927, Oppenheimer published a paper called “On the Quantum Theory of Molecules” with his research adviser Max Born. This paper outlined what is commonly referred to as the Born-Oppenheimer approximation. While the name credits both Oppenheimer and his adviser, most historians recognize that the theory is mostly Oppenheimer’s work.

J. Robert Oppenheimer, on the right, in 1947, speaking to mathematician Oswald Veblen at the Princeton Institute for Advance Study. AP/Anonymous

The Born-Oppenheimer approximation offers a way to simplify the complex problem of describing molecules at the atomic level.

Imagine you want to calculate the optimum molecular structure, chemical bonding patterns and physical properties of a molecule using quantum mechanics. You would start by defining the position and motion of all the atomic nuclei and electrons and calculating the important charge attractions and repulsions occurring between these particles in the molecule.

Calculating the properties of molecules gets even more complicated at the quantum level, where particles have wavelike properties and scientists can’t pinpoint their exact position. Instead, particles like electrons must be described by a wave function. A wave function describes the electron’s probability of being in a certain region of space. Determining this wave function and the corresponding energies of the molecule is what is known as solving the molecular Schrödinger equation.

Solving the Schrödinger equation lets scientists calculate the properties of a molecule.

Unfortunately, this equation cannot be solved exactly for even the simplest possible molecule, H₂⁺, which consists of three particles: two hydrogen nuclei (or protons) and one electron.

Oppenheimer’s approach provided a means to obtain an approximate solution. He observed that atomic nuclei are significantly heavier than electrons, with a single proton being nearly 2,000 times more massive than an electron. This means nuclei move much slower than electrons, so scientists can think of them as stationary objects while solving the Schrödinger equation solely for the electrons.

This method reduces the complexity of the calculation and enables scientists to determine the molecule’s wave function with relative ease.

This approximation may seem like a minor adjustment, but the Born-Oppenheimer approximation goes far beyond just simplifying quantum mechanics calculations on molecules. It actually shapes how chemists view molecules and chemical reactions.

When scientists visualize molecules, we usually think of them as a set of fixed nuclei with shared electrons that move between nuclei. In chemistry class, students typically build “ball-and-stick” models consisting of rigid nuclei (balls) sharing electrons through a bonding framework (sticks). These models are a direct consequence of the Born-Oppenheimer approximation.

The ball-and-stick model shows nuclei represented by spheres – or balls – with shared electron bonds represented by sticks. This image shows the structure of a benzene molecule. Aaron Harrison

The Born-Oppenheimer approximation also influenced how scientists think about chemical reactions. During a chemical reaction, atomic nuclei are not stationary; they rearrange and move. Electron interactions guide the nuclei’s movements by forming an energy surface, which the nuclei can move on throughout the reaction. In this way, electrons drive the molecule’s progression through a chemical reaction. Oppenheimer demonstrated that the way electrons behave is the essence of chemistry as a science.

Molecules can change structure during a chemical reaction. Chem540grp1f08/Wikimedia Commons, CC BY-SA

Computational quantum chemistry

In the century since the publication of the Born-Oppenheimer approximation, scientists have vastly improved their ability to calculate the chemical structure and reactivity of molecules.

This field, known as computational quantum chemistry, has grown exponentially with the widespread availability of faster, more powerful high-end computational resources. Currently, chemists use computational quantum chemistry for various applications ranging from discovering novel pharmaceuticals to designing better photovoltaics before ever trying to produce them in the lab. At the core of much of this field of research is the Born-Oppenheimer approximation.

Despite its many uses, the Born-Oppenheimer approximation isn’t perfect. For example, the approximation often breaks down in light-driven chemical reactions, such as in the chemical reaction that allows animals to see light. Chemists are investigating workarounds for these cases. Nevertheless, the application of quantum chemistry made possible by the Born-Oppenheimer approximation will continue to expand and improve.

In the future, a new era of quantum computers could make computational quantum chemistry even more robust by performing faster computations on increasingly large molecular systems.

Aaron W. Harrison, Assistant Professor of Chemistry, Austin College

This article is republished from The Conversation under a Creative Commons license. Read the original article.








Рилсмейкер. Услуги Рилсмейкера. Рилсмейкер в Москве. Стоимость работы Рилсмейкера.

От мечты до признания: владелец Yasmin Bodrum Resort получил премию Fashion Summer Awards 2025

Всё меняется после 45: как мягко пережить климакс без гормонов — рассказывает врач Филатова

«Анька Михалкова – лучшая, у нее самые нежные поцелуи»: Гоша Куценко рассказал в «Шоу Воли» на ТНТ, с кем из актрис ему понравилось целоваться


The anti-DEI movement has a new ally: The FCC

Jerome Powell is gaining some key backing on Capitol Hill from GOP senators

OpenAI warns that its new ChatGPT Agent has the ability to aid dangerous bioweapon development

At Last We Know Why Shemar Turner Fell To The 2nd Round


Hybrid: у рекламодателей растет запрос на точную и быструю аналитику рекламных кампаний

Объявлена стоимость проезда по новой дороге от Москвы до Екатеринбурга

Дивеево ..

Камышница.


The origin of 'AI Appreciation Day' isn't what you think: It was started by an Elon Musk admirer who camped outside of SpaceX Starbase for a year hoping to talk to the billionaire about AI regulation

Destiny 2 Phoneutria Fera god roll guide: Best perks, barrels, and magazines

В Pokémon TCG Pocket обновится система торговли карточками

As the Nintendo eShop fails to protect from 'eslop', indie devs reflect on how it affects their work and why Steam is just better: 'Their algorithm will more or less naturally bury AI slop'



«Я о слове “тарелочница” только в Москве узнал»: Камиль Зулфугаров расскажет о новых правилах свиданий в новом сезоне шоу Stand Up на ТНТ

Подводный праздник в Dhawa Ihuru: погружение за скидками

Рилсмейкер. Услуги Рилсмейкера. Рилсмейкер в Москве. Стоимость работы Рилсмейкера.

От мечты до признания: владелец Yasmin Bodrum Resort получил премию Fashion Summer Awards 2025


Более 20 поездов задерживаются по направлению в Крым и обратно

Московское «Динамо» потеряло очки в первом матче сезона с новичком РПЛ

Слуцкий высказался о новых санкциях, введённых против России.

Правительство разъяснило порядок выплат утильсбора.


TNI: Россия опередила американцев в гонке в Арктике на 17 лет

17-летнего подростка из Воронежа, пострадавшего при атаке БПЛА, экстренно прооперировали в Москве

Думный след: блуждающие полюса и «человеческие мысли» роботов

«Китайские УАЗы» проедут через всю Россию. Первые впечатления от новинок BAW


Рублев пробился в полуфинал турнира в Лос-Кабосе.

Уимблдон-2025 принёс брендам рекордные медийные дивиденды, особенно Ralph Lauren и Кейт Миддлтон

Роман с Маратом Сафиным и внебрачная дочь: что известно о жене Алексея Воробьева Аиде Гарифуллиной

Рублев прокомментировал вылет с турнира в Лос-Кабосе


Собянин сообщил о сбитом беспилотнике на подлете к Москве

Археологи из России, Белоруссии и Кении приступили к раскопкам в деревне Турок

Собянин: пресечена пятая за вечер попытка атаки беспилотника на Москву

МЧС предупредило о дожде, граде и ветре в Московском регионе


Музыкальные новости

«Путь к вершинам»: вдохновляющий проект для детей и подростков с ограниченными возможностями здоровья в Приэльбрусье

Элджей во время выступления на VK Fest поцеловал свою девушку Anikv: видео Super

Волочкова об интиме с Керимовым: «Утром мама говорила, что вы там так громко»

Беременная невеста Тимати поделилась болью: «Ее забрал рак»


Юбилейный 10-й VK Fest проходит в Москве

Рилсмейкер. Услуги Рилсмейкера. Рилсмейкер в Москве. Стоимость работы Рилсмейкера.

Чернышенко и Фурсенко вручили дипломы новому управленческому резерву российской науки

Долетели до Твери и обратно: авиарейс Москва-Калининград вернулся в Шереметьево из-за неисправности


Футболисты «Локомотива» обыграли «Сочи» в матче первого тура РПЛ

Камеры выявили 4 тысячи нарушений парковки у контейнерных площадок в Подмосковье

Грозы и похолодание: синоптики предупредили, какой будет погода в России на выходных

Конец тайне. «Холостяк» Воробьев и оперная дива Гарифуллина отдыхают вместе


«Китайские УАЗы» проедут через всю Россию. Первые впечатления от новинок BAW

20 июля 2025 года стартуют официальные продажи LADA Iskra

На КАД между развязками с Московским и Таллиннским шоссе ликвидируют колейность

В Москве на внешней стороне ТТК массовая авария затруднила движение автомобилей


В Кремле нет данных о возможной встрече Путина и Трампа в КНР в сентябре – Песков

В Кремле прокомментировали информацию о возможной встрече Путина и Трампа в КНР

Путин отметил "Триколор" как одного из ведущих игроков в сфере спутниковой связи.

Путин отметил уникальный талант актера Василия Ливанова




"Сапсан" отрезал ногу: зацепер стал инвалидом из-за опасного хобби

«Вы беременная, уходите»: почему Тодоренко не пустили к сыну на рентген

В московской клинике нашли камеру у гинекологического кресла

Не будущее, а настоящее: роботизированное эндопротезирование сустава впервые провели в Ставропольском крае


«Это неумно». Кличко обвинил Зеленского в том, что он не контактирует с ним

Зеленский предложил встретиться в Стамбуле на следующей неделе

"Неприятно об этом говорить": Кличко сделал заявление о Зеленском

Кличко заявил о неприязни к разговорам о Зеленском


Хоккеист Овечкин рассказал о мечте сфотографироваться с Фетисовым

Спартак" с Мартинсом против "Динамо" Махачкала: стартовые составы дерби РПЛ на "Лукойл Арене

"Локомотив" обыграл "Сочи" в первом туре чемпионата России

Московское «Динамо» потеряло очки в первом матче сезона с новичком РПЛ


Лукашенко настоятельно призвал жестко остановить воровство в аграрной сфере.

Лукашенко потребовал от чиновников «не потерять картофель»

Лукашенко жестко поставил задачу по уборке урожая со словами «умри, но сделай»

Лукашенко утвердил указ о повышенном обеспечении вооруженных сил в условиях военного времени.


Собянин: пресечена пятая за вечер попытка атаки беспилотника на Москву

Собянин: Первый участок Рублево-Архангельской линии метро полностью пройден

Собянин: ГКБ № 52 получила статус клинического научно-исследовательского центра

Собянин: Московский скоростной диаметр будет соединен с Курганской улицей


Подросших ежей можно встретить в июле в Москве

Вильфанд связал приход тропических ливней в Москву с изменением климата

Вильфанд: тропические ливни в Москве связаны с изменением климата

Вильфанд раскрыл причины тропических ливней в столице


МЧС предупредило о дожде, граде и ветре в Московском регионе

Экс-арбитр Федотов заявил о судейской ошибке в матче "Спартак" - "Динамо"

«Люби маму и «Спартак», кульбит Маркиньоса, Станкович в шоке. Главные фото победы красно-белых

Археологи из России, Белоруссии и Кении приступили к раскопкам в деревне Турок


Собянин: Первый участок Рублево-Архангельской линии метро полностью пройден

Прокуратура подсчитала риски нацпроектов в Архангельской области

Архангельская область - не самое перспективное место для трудоустройства

Владимир Ефимов: На станции «Рублево-Архангельское» стартовали монолитные работы


"Гранд сервис экспресс" сообщил о задержках 12 поездов в Крым

Гранд Сервис Экспресс: задерживаются пять поездов в Крым и семь из Крыма

Информация о задержке поездов в Крым и обратно

Уважаемые пассажиры!. Сегодня в пути следования задерживаются поезда


Янтарную «Курочку Рябу» с сюрпризом представят на AmberForum в Москве

Ирина Волк: Владимир Колокольцев вручил Московскому университету МВД России имени В.Я. Кикотя государственную награду – орден Почета

112: в цирке на Вернадского в Москве гимнаст из Китая упал с 3-метровой высоты

Подмосковье запускает быстрое оформление справок для четвероногих














СМИ24.net — правдивые новости, непрерывно 24/7 на русском языке с ежеминутным обновлением *