31 October 1986 Robert Sanderson Mulliken, 7 June 1896


Download 328.54 Kb.
Pdf ko'rish
bet1/4
Sana05.02.2018
Hajmi328.54 Kb.
#26090
  1   2   3   4

31 October 1986

Robert Sanderson Mulliken, 7 June 1896 -

H. C. Longuet-Higgins, F. R. S.

, 327-354, published 1 March 1990

35

1990 


Biogr. Mems Fell. R. Soc. 

Email alerting service

here


corner of the article or click 

this article - sign up in the box at the top right-hand 

Receive free email alerts when new articles cite

http://rsbm.royalsocietypublishing.org/subscriptions

, go to: 

Biogr. Mems Fell. R. Soc.

To subscribe to 

 on February 5, 2018

http://rsbm.royalsocietypublishing.org/

Downloaded from 

 on February 5, 2018

http://rsbm.royalsocietypublishing.org/

Downloaded from 



R O B E R T SANDERSON M ULLIKEN

7 June  1896—31  O ctober  1986

 on February 5, 2018

http://rsbm.royalsocietypublishing.org/

Downloaded from 


 on February 5, 2018

http://rsbm.royalsocietypublishing.org/

Downloaded from 


R O B E R T SANDERSON M ULLIKEN

7 June  1896—31  O ctober  1986 

Elected For.Mem.R.S.  1967 

BY H.C.  L

o n g u e t

-H

ig g in s



, F.R.S.

P

r e l u d e

R O B ER T  SANDERSON  M ULLIKEN  was  born  on  7  June  1896  in  Newburyport, 

Rhode  Island.  His  father,  Samuel  Parsons  Mulliken,  was  a  Professor  of  Organic 

Chemistry  at  the M assachusetts  Institute  of Technology,  to which  he would  travel  a 

distance  of  some  30  miles  every  day  on  the  Boston  and  Maine  Railroad.  Samuel’s 

income was modest, and the family had little contact with the more influential members 

of the  community.  “This  may  account”,  says  Robert  in  his  autobiography  (B  250)*, 

“for a  deep-seated  inferiority complex which  I have  had,  especially toward  people in 

authority, but  not  towards prominent scientists”.  H e recalls helping his  father proof­

read his four-volume tre a tise^  method for the identification o f pure organic compounds'. 

“It is natural”, says Robert loyally, “that I became interested in science although I was 

strongly tem pted to move in other directions, such as philosophy or other humanistic 

fields”.

His mother Katherine W. Mulliken (a distant cousin of his father) formed a stronger 

bond with her son.  She was  a  member of the Unitarian  Church,  and  frequently took 

R obert along with  her.  She  failed  to persuade him to learn the piano, but succeeded 

in imbuing him with a sense of justice and of the beauty of nature. “I have sometimes 

experienced very strong feelings  of intimacy with  nature”,  he writes  (B 250)  “but not 

of beauty  in  its  laws”.  His  upbringing was  strict  and  conventional  and  one  gains  the 

impression of an  extremely well-behaved but rather shy child.  He writes with  lurking 

admiration  about  a  red-haired  classmate  at  the  Jackman  Grammar  School,  who 

became  famous  for his  unconventional  exploits  and  is  quoted  (B  250)  as  saying  “my 

worst trouble  is  that  I got  my lessons  done  too  quick”.  Bossy  Gillis,  as he was  called, 

rose rapidly in the community and was eventually elected mayor of Newburyport. Half 

a century later Robert Mulliken was invited back to Newburyport by another mayor, 

to have a street named after him.



*  Numbers in this form refer to entries in the bibliography and list of references.

329


 on February 5, 2018

http://rsbm.royalsocietypublishing.org/

Downloaded from 


330

Biographical Memoirs

T

h e

 

e a r l y

 

y e a r s

Mulliken gives a vivid  account  of his early years as  a scientist  in  an  article  entitled 

“Molecular Scientists and Molecular Science: Some Reminiscences” (B 204), publish­

ed  the year before  he was  awarded  the  Nobel  Prize  in  Chemistry.  His  interest in  the 

structure  of m atter  had  developed  at  an  early  age.  In  1913,  the  year  in which  Niels 

Bohr put forward his quantum theory of the atom, Robert presented, at his high school 

graduation ceremony,  an essay  (B  211)  entitled “Electrons -  what they are  and what 

they do”.

At M.I.T. R obert discovered that science could be a hard task master. In quantitative 

chemical  analysis,  which  he  hated,  he  learned  the  virtues  of patience  and  discipline, 

and soon came to appreciate the need for self-discipline in any field of endeavour. His 

B Sc.  in  chemistry  at  M.I.T.  in  1917  involved  the  tedious  but  demanding  task  of 

preparing  some  organic  chlorides,  for  purposes  unspecified.  These  materials  “had 

delightful odors, among which there were very interesting resemblances and differen­

ces”  (B  204) -  a typically Mullikenesque account of the matter.

After  the  entry  of  the  U.S.A.  into  World  War  I  in  1917,  R obert joined  the  U.S. 

Bureau of Mines as  a Junior  Chemical Engineer.  His first job was in a laboratory for 

research on poison gases, at American University in Washington, D.C., presided over 

by Lt. James B.  Conant of the Chemical W arfare Service. “The laboratory was about 

the size of a large living room but was equipped with enough hoods to contain stocks 

of every kind of poison gas known to man: several kinds of tear gas, of sneeze gas, and 

of  mustard  gas,  also  liquid  hydrogen  cyanide  and  chlorine”  (B  204).  A  budding 

romance with “a very lovely girl” was cut short by an accident in the laboratory, when 

Robert  was  working  with  mustard  gas;  he  had  to  spend  six  months  in  hospital 

recovering from a severe burn, which required a skin graft. A fter a further brief period 

of war service, studying the scattering of light by particle suspensions such as cigarette 

smoke, he found himself back in hospital with  1918 influenza. Emerging from hospital 

as a World War I veteran, he was honourably discharged from the Chemical W arfare 

Service as a Private, First Class.

In  the 


fal1

  of  1919,  after  a  brief period  of employment  with  the  New Jersey  Zinc 

Company  in  Palmerton,  Pennsylvania,  Robert  went  to  the  University of Chicago  to 

study for a Ph.D. with Professor W.D. Harkins. “I wanted to work on something really 

fundamental,  namely  atomic  nuclei,  in  which  at  that  time  hardly  anyone  except 

Rutherford  in  England,  and  Harkins  in  this country,  seemed  to  be  interested.  How­

ever, while at  Chicago in  1919—

22 I spent much time in the  library reading with great 

interest the papers of Irving Langmuir, and from them going back to the earlier papers 

of G.N. Lewis on chemical bonding and valence. After some work on surface tension, 

another of Harkins’ interests,  I did my Ph.D.  thesis under his guidance on the partial 

separation of mercury isotopes by irreversible evaporation”  (B  204).  By 1922 he had 

built the first ever isotope factory, stocked with bottles of mercury in which the density 

had  been  changed,  up  or  down,  by  many  parts  per  million,  and  had  recovered  his 

self-esteem as an experimental scientist. “Since then”, he writes, with a rare objectivity,

 on February 5, 2018

http://rsbm.royalsocietypublishing.org/

Downloaded from 



Robert Sanderson Mulliken

331


“I  have become neither a proper experimentalist nor a proper theorist, but  a  middle 

man betw een experiment and theory - and between chemistry and physics”  (B 204).

This  rem ark  is  a vital  clue  to  Mulliken’s  contribution  to  science.  In  the  1920s  the 

theoretical physicists were forging a new quantum  mechanics while their experimental 

colleagues  puzzled  over  the  intricacies of molecular  spectra.  As  a chemical  physicist 

Mulliken  appreciated  not  only  the  need  to  base  the  quantum   theory  firmly  on 

experiment  but  also  the  importance  of  using  it  for  interpreting  the  band  spectra  of 

diatomic and  polyatomic molecules.  This  process  of interpretation  occupied  most  of 

his scientific life.

A fter  H arkin’s  death  in  1951  R obert  Mulliken  undertook  the  preparation  of  a 

Biographical  Memoir  of his  old  teacher  for  the  National  Academy  of Sciences;  the 

memoir (B 239) was eventually published in  1975.



H

a r v a r d

In  1921  R obert  was  awarded  a  fellowship  by  the  National  Research  Council,  to 

enable  him  to  develop  some  ideas  of  his  own.  “My  first  proposal”  he  writes  in  the 

Reminiscences (B 204) “was to go to Cambridge to work with R utherford on a project 

in /Lray spectroscopy, but  the  fellowship board  did  not  approve.  So  I  found  another 

promising area of investigation in the isotope effect in band spectra”. At the resolution 

then obtainable, the emission spectra of molecules appeared to consist of bands, quite 

unlike the lines in  the spectra of atoms.  “I found  some reproduced  photographs  in a 

published  article  by  Wilfred  Jevons  on  what  was  supposed  to  be  the  BN  spectrum. 

Jevons had  not said  anything about there being bands of two isotopes, but it seemed 

clear  theoretically  that  there  ought  to  be,  and  I  soon  found  in  Jevons’  published 

photographs a number of extra bandheads in the positions to be expected for the less 

abundant isotope of boron”  (B  204).

It was a student friend,  Norman  Hillberry, who had  suggested  to  R obert Mulliken 

that  he  combine  his  interest  in isotopes with  the  then  hot  topic  of band  spectra  and 

look for isotope effects in molecular electronic spectra. Many years later [in Molecular 



orbitals in  chemistry, physics and biology:  a  tribute to R.S.  Mulliken  (ed.  P.-O.  Lowdin 

and  B.  Pullman),  p.3.  New  York:  Academic  Press  (1964),  Charles  Coulson  recalls 

some advice he received about band spectra from R.H. Fowler at Cambridge:  “D on’t 

take that up unless you are prepared to spend all your life at it. It’s a full-time job, and 

if you  want  to  be  free  to  dabble  in  other  topics  as  they  arise,  keep  away  from  band 

spectra”.  R obert Mulliken somehow managed to do both.

So in  1923  Mulliken went as a  National  Research  Council  post-doctoral  fellow  to 

the  Jefferson  Physical  Laboratory  at  Harvard,  where  F.A.  Saunders  (of  Russell- 

Saunders  coupling)  and  Theodore  Lyman  (Pioneer  of vacuum  spectroscopy)  were 

pushing back the frontiers of experimental spectroscopy.



Professor Saunders provided me with the necessary equipment... and also gave me some of his 

old plates showing strange-looking bands which he suggested I might like to try to explain -  an 

invitation which I immediately accepted. Another wonderful piece of good fortune for me was 

that Jevons  had  obtained  his boron  nitride  spectrum by  putting boron  trichloride  into  active

 on February 5, 2018

http://rsbm.royalsocietypublishing.org/

Downloaded from 



332

Biographical Memoirs

nitrogen. This led  me  to  learn that many other beautiful spectra could  be obtained by putting 

other substances into active nitrogen, as had been shown by FJ. Strutt, later Lord Rayleigh. (B 204).

(Much  later  Mulliken  was  lucky  enough  to  observe  a  display  of ball  lightning,  and 

noticed that its colour was remarkably similar to that of active nitrogen.)

Robert concluded,  however, from careful measurements of the isotope effect, that 

Jevons’  “boron  nitride”  spectrum  was  really  due  not  to  BN  but  to  BO.  A fter  an 

exchange of letters in the columns of Nature, in which Jevons said (B 204) that o f course 

the  spectrum  was  that  of  BN,  because  it  was  obtained  by  putting  BC

3

  into  active 



nitrogen, Mulliken finally wrote to Jevons, at the suggestion of R.T. Birge, suggesting 

that they meet to talk things over. Eventually, in the summer of 1925, “I visited Jevons 

who  explained  that  his  letter  to  Nature  was  not  really  his  own  idea,  but  that  the 

departm ent head put him up to it; so we got this m atter straightened out”. The identity 

of the said departm ent head  is not recorded.

There was more to the BO story than the above account might suggest. In order to 

obtain  really  good  agreement  between  theory  and  experiment  it  was  necessary  to 

suppose, not only that the spectrum was due to BO rather than BN, but also that the 

lowest  energy  level  of a  quantum  vibrator  has  half a  quantum  of vibrational  energy 

rather than  no  energy at  all.  Mulliken pointed this out in another letter to Nature  (B 

13);  a  year  or  two  later  the  concept  of  zero-point  energy  emerged  from  the  new 

quantum mechanics.

Besides  Saunders  and  Lyman  the  faculty  at  Harvard  included  E.C.  Kemble  the 

molecular theorist and  P.W.  Bridgman  the high pressure physicist.  R obert’s contem ­

poraries included J.R.  Oppenheimer and J.H.  van  Vleck, as well as John Slater, Sam 

Allison and Louis Slichter with whom he shared living quarters at various times.  “My 

first real understanding of Robert Mulliken”, writes Slater in  tribute to R.S. Mulliken, 

“came when,  after  a  sleepless  night  in which  he  had  been  kept  awake  by the  flashes 

[of trolley cars in the street], he said, £What beautiful copper arcs!’ H e had been looking 

at them with his pocket replica grating, which he always had with him”.

While conducting his own research in the Jefferson Laboratory, Mulliken read what 

he  could  of the  spectroscopic  literature.  The  leading  book on  the  subject  was  Som- 

merfeld’s  Atombauund Spektrallinien,  which included an up-to-date chapter on band 

spectra.  “Doubtless  stimulated  by  Sommerfeld’s  book,  I  made  efforts  to  bring  new 

order  into  the  data  on  band  spectra,  using  the  old  quantum  theory,  where  things 

centred  round  the  phase  integral  /p d q   as  discussed  in  Max Born’s 



iiber

Atom m echanik”  (B  204).  Mulliken  acquired  his  own  copy  of Sommerfeld’s  book  in 

1925, just  before  the  new quantum  theory rose  like  a  phoenix  from  the  ashes  of the 



Old.  His  ability  to  profit  from  such  an  investment  testifies  to  his  early  mastery  of 

scientific German, part of the essential equipment of any serious physicist.

The theoretical physicists were still groping for principles that might account for the 

properties  of atoms  and  molecules,  but  Robert  Mulliken  was  happy  to  use  existing 

formulae for summarizing the spectroscopic data.

This [Max Born’s] quantum condition worked pretty well in many respects for the understanding 

of the fine structures as well as the vibrational structures of band spectra, but there were some

 on February 5, 2018

http://rsbm.royalsocietypublishing.org/

Downloaded from 



Robert Sanderson Mulliken

333


puzzling things  about  quarter-integral  and  half-integral  quantum numbers.  In  this  connection 

the Kramers-Pauli molecular rotational energy formula of 1923

g nlhc = [ ( j 1- -£]

in which  could be understood as electronic angular momentum along the internuclear axis and 

£  as electronic angular momentum along the direction  of the  resultant of this with the  nuclear 

rotational angular momentum, seemed to be useful, but not entirely satisfactory (B 204).

Physical theory had, apparently, disintegrated into a num ber of separate fragments, 

each encapsulating a few grains of truth, but with little connection between them. Bohr 

had enunciated his 



A

u

fb

a

u

p

rin

zipf

or the periodic system of the atoms in 1922-23, and 

Sommerfeld had given  a beautiful  survey of the subject in his 

but electron

spin had yet to be discovered, and the Exclusion Principle was still years away.

The complexities of band spectra presented a challenge to the taxonomist in Robert 

Mulliken. “My efforts towards  a better understanding and  classification of the struc­

tures of bands led naturally to attempts also to understand molecular electronic states 

as more  or  less  like  those  of atoms.  At  first  it  looked  as if the  lower  energy  levels  of 

BeF,  Co + ,  CN,  MgF,  AlO,  SiN,  etc.  [all  having 9 valence electrons], were analogous 

to  those  of the  sodium  atom  [with  1  valence  electron],  those  of  CO,  NO + ,  N2;  SiO 

[with 10] to those of Mg [with 2] and those of NO  [with 11] to those of A

1

  [with 3]” (B 



204).  The  isoelectronic  principle  promised  to  yield  important  insights  in  molecular 

spectroscopy as well as in molecular structure, and was to dominate much of Mulliken’s 

later work.  O ther spectroscopists,  including Mecke,  Birge,  Sponer and Hulthen,  had 

glimpsed some of these regularities, but it was not until the advent of the new quantum 

theory that H und and Mulliken could  account for them in a principled  fashion.

A  

t r i p

 

t o

  E

u r o p e

During  the  tenure  of his  National  Research  Fellowship  R obert  managed  to  save 

enough  money to  travel,  and  confidently  invited  himself to visit  many of the  leading 

spectroscopists  in  Europe.  In  the  summer  of  1925  he  and  Sam  Allison  crossed  the 

Atlantic  together  by  ship.  In  London  Jevons  kindly  introduced  him  to  a  number  of 

British scientists, including A. Fowler at  Imperial  College.  Lord Rayleigh invited him 

to breakfast,  and in  Cambridge  he  and  F.W.  Aston  discussed  their common  interest 

in isotopes. H e recalls that Aston also gave him a demonstration of rock-climbing along 

one wall of his college:  “though not hazardously -  on a ledge only one foot above the 

ground”  (B  204).

After  a  brief  detour  through  France,  where  he  discussed  with  F.  Baldet  the 

comet-tail bands of CO +, Robert made for Germany.  In Bonn he introduced himself 

to  H.  Kaiser  and  R.  Mecke;  in  Munster,  to  A.  Kratzer;  and  in  Gottingen,  to  James 

Franck  and  H ertha  Sponer.  “In  Max  Born’s  Institute  of  Theoretical  Physics  I  was 

especially  interested  in  talking  with  Hund,  who  was  then  Born’s  assistant”  (B  204). 

This was  the  beginning  of a  firm  and  lasting  scientific  friendship,  with  wide-ranging 

implications for the future of molecular physics.

 on February 5, 2018

http://rsbm.royalsocietypublishing.org/

Downloaded from 



334

Biographical Memoirs

After a visit to Berlin, where  he called  on the great atomic spectroscopist Paschen 

at the Technische Hochschule, Robert travelled to Denmark to meet Niels Bohr. Bohr 

was at his seaside home in the country, but came to the railroad station on his bicycle 

to  meet  Mulliken;  they walked  back  to  the  house,  to  be  greeted  by Bohr’s  charming 

and  remarkable  wife  and  their  five  stalwart  sons.  Mulliken  asked  Bohr  his  opinion 

about the Rydberg states of molecules -  those in which one electron has been excited 

into  a  particularly  large  orbit -   but  Bohr’s  reply  is  not  recorded.  A  visit  to  Lund  to 

meet Erik Hulthen, and the glorious summer ended with a trip to the Dolomites in the 

company of Sam Allison and Hermann Mark, and M ark’s wife Mimi who found it very 

tiring.  Robert  Mulliken,  so  self-effacing in  ordinary company,  had  firmly  established 

himself as a member of the international scientific community.



N

e w

  Y

o r k

 U

n i v e r s i t y

In the fall of 1926, again at the suggestion of Norman Hillberry, R obert moved from 

Harvard to take up an appointment as Assistant Professor of Physics at the Washing­

ton  Square  branch  of  New  York  University.  He  took  the  opportunity  to  widen  his 

knowledge  of  physics  and  to  initiate  some  more  experimental  work  on  diatomic 

spectra,  as well as writing up his joint work at Harvard on the nitric oxide bands.  But 

the most memorable event of the period for Robert was his second visit to Europe, in 

the  summer  of  1927.  The  spin  of the  electron  had  now  been  discovered,  Pauli  had 

proposed  his  Exclusion  Principle  and  Heisenberg  had  formulated  the  new  quantum 

mechanics.  On  a less  ethereal  plane,  Lindberg had just completed  his  first solo flight 

across  the  Atlantic,  and  Paris  was  still  rocking  with  the  celebrations  when  Robert 

arrived there  on his way to spend the summer in  Gottingen. His  recollections of that 

period are of particular historical  interest, and are worth quoting 

extenso:

In the time since I had first met Hund in  1925, he had finished his famous book Linienspektren 

undPeriodisches System derElemente (published in 1927) and had written his paper applying the 

then new quantum mechanics “Zur Deutung Einiger Erscheinungen in den Molekelspectren”

[Z.  Physik.  36,  657 (1926)].  (I  never discovered why it was that Hund, like  Sommerfeld, always 

spoke  of  molecules  as  Molekeln,  while  others  called  them  Molekiilen.)  In  this  paper  Hund 


Download 328.54 Kb.

Do'stlaringiz bilan baham:
  1   2   3   4




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling