約翰尼斯·迪德里克·范·德·瓦耳斯

約翰尼斯·迪德里克·范·德·瓦耳斯（通常稱為范德·瓦耳斯或范德華，Johannes Diderik van der Waals，1837年－1923年），荷蘭物理學家。

曾任阿姆斯特丹大學教授。對氣體和液體的狀態方程所作的工作。獲得1910年諾貝爾物理學獎。化學中有以他名字命名的范德華力（即分子間作用力）。

基本介紹

• 中文名：約翰尼斯·迪德里克·范·德·瓦耳斯
• 外文名：Johannes Diderik van der Waals
• 國籍：荷蘭
• 出生地：荷蘭萊頓
• 出生日期：1837年11月23日
• 逝世日期：1923年03月08日
• 職業：物理學家
• 畢業院校：萊頓大學
• 主要成就：諾貝爾物理學獎（1910年）
• 代表作品：分子力
• 研究機構：阿姆斯特丹大學
• 導師：彼得·賴克
• 學生：迪德里克·科特韋格

人物生平

早年教育

Johannes Diderik是十個孩子中的老大，他的父母名為傑科布斯‧范德華及伊莉莎白‧范登貝爾赫。他的父親是一個住在荷蘭萊頓市的木匠。 在十九世紀，工人階級的孩子通常是沒有能力就讀中學然後晉升大學就讀的。 不過，他接受學校的國小教育，並於十五歲時完成學業。後來，他成為一名國小老師的助教。

1856年至1861年間，他跟著老師學習，順利考取教師執照，成為一名國小老師，並晉升為教務主任。

1862年，他開始參加數學、物理學和天文學的講座，他在城裡的大學中雖然他是一個未經錄取的正式學生，不過那是因為他缺乏一部份的古典語言上的教育。然而，萊頓大學有一項規定，提供境外學生所需的長達四年之課程。

1863荷蘭政府創立了一所新的中學 (HBS─哈佛商學院)，為服務那些高、中產階級的孩子。

范德華是當時一所國小的負責人，希望成為一名在哈佛商學院教授數學及物理課的教師，他花了兩年的空閒時間為所需要的考試做準備。

1865年，他被聘請為在Deventer的哈佛商學院的物理教師，並且在1866年，他在海牙也獲得這樣的職位，他在那裡就讀的大學足以使萊頓范德華更加容易銜接之前所學的課程。

在搬家到Deventer Johannes Diderik之前，他就已與十八歲的安娜蓮娜斯密特在1865年9月結婚。

職業生涯

1864年他被任命為一所在Devente的中學的教師。

1866 年他搬到Hague，先是任職老師而之後成為了中學的主任。而范德華在他求學生涯中遇到了一些問題，因為他仍然缺乏能使他有權進入大學當正規學生和考試的古典語言的知識。但是，凡事都有湊巧，法律規範使高考發生了變化，教育部長改變了高考進入大學的規則，免除了必須研究古典語言的這項規定。范德華也因此通過了資格考試，得到了物理和數學博士學位。

在萊頓大學，6月14日，1873年，他捍衛了他根據Pieter Rijke所寫的博士論文Over de Continuiteit van den Gas en Vloeistoftoestand（在連續性的氣態和液態）。在這篇論文中，他介紹了分子體積和分子吸引力的概念。他以一篇標題為 Over de Continuiteit van den Gas - en Vloeistoftoestand(On the continuity of the gas and liquid state)的論文獲得了博士學位，並且立即使他名列為首要等級的物理學家。在這篇論文中他提出了同時可解釋氣體態和液體態的"狀態方程式"。他指出，這兩個狀態的混合體不僅以一種連續性的方式合併成彼此，他們實際上還有著同樣的特性。這個從van der Waals第一份論文得到的結論的重要性可以從James Clerk Maxwell在"Nature"雜誌中的註解得到證明：毫無疑問地，van der Waals的名字很快地將會出現在主流的分子科學之中；並且：這將使得不只一位研究者去研究粗淺的荷蘭語─因為這篇論文是以荷蘭文寫的(Maxwell大概是要說"粗淺的德語"，不過這也是不正確的，因為以荷蘭語寫作是因van der Waals本身之能力)。隨後，在Proceedings of the Royal Netherlands Academy of Sciences及Archives Neerlandaises中，許多和這主題相關的論文都被發表出來了，並且，他們也被翻譯成其它語言。

1877年9月范德華被任命為阿姆斯特丹市立大學的物理系第一教授。他有兩個著名的同事─物理化學家Jacobus Henricus van 't Hoff和生物學家Hugo de Vries。可以預期從以前的國小老師，范德華就是一位傑出且令人印象深刻的講師。范德華持續在阿姆斯特丹大學任教，直到他到了退休的年齡，他當時70歲。他的兒子Johannes Diderik van der Waals, Jr.接替了他爸爸的光輝，他同時也是一個理論物理學家。

婚姻家庭

他再1865年娶了Anna Magdalena Smit，兩人有三個女兒（Anne Madeleine，Jacqueline Elisabeth（Jacqueline Elisabeth是歷史老師和一位知名的女詩人），Johanna Diderica(Johanna Diderica是一位英語老師)）和一個兒子，物理學家Johannes Diderik, Johannes Diderik Jr.於1903年到1908年擔任Groningen大學的物理教授，並繼他的父親之後擔任阿姆斯特丹大學的物理講座教授，Jr.的侄子Peter van der Waals是一個櫥櫃製造商，並在格洛斯特郡學院工藝美術系是個領軍人物，在1881年，他的妻子死於肺結核，享年34歲。 在Anna去逝以後，女兒們回到家中照看她們的父親，范德華從此沒有再婚，對他妻子的死感到非常震撼，此後的十年，他都沒有再公布任何關於他事情，van der Waals 的主要休閒是散步，尤其是在在鄉間，以及閱讀。

最後范德華於1923年3月8日死於阿姆斯特丹，享年85歲，一年後，他的女兒Jacqueline也相繼去世。

主要成就

范德華獲得了無數的榮譽和聲望，除了在72歲（1910年）范德華被授予諾貝爾物理學獎 。他被授予劍橋大學的博士學位，被世界榮譽協會的會員譽為莫斯科的博物學家，愛爾蘭皇家科學院和美國哲學學會會員，也就是法蘭西學院和柏林皇家科學院的會員，比利時皇家科學院的準會員和外國化學倫敦學會會員，美國的國家科學院，和羅馬的學院代學院。范德華是其中一個成員，皇家Nederlandse Akademie van Wetenschappen（荷蘭皇家藝術與科學學會）。從 1896年直到1912年，他是這個學會的秘書。

科研工作

范德華的主要興趣在熱力學。他受到魯道夫·克勞修斯非常大的影響，1857年他的論文題目為über die Art der Bewegung，welche wir Wärme nennen（這類的運動方式，我們稱之為熱）。後來范德華受到該著作者詹姆斯·克拉克·麥克斯韋、路德維希·玻爾茲曼和威拉德·吉布斯很大的影響，。克勞修斯的工作促使他去尋求解釋托馬斯安德魯實驗，在1869年時他發表了存在臨界溫度的液體理論。他設法將描述的現象和臨界溫度的凝結下一個定論，1873年在他的論文發表中，題目是關於Over de Continuïteit van den Gas- en Vloeistoftoestand（是指連續性的氣體和液體狀態）。這是一項在物理學中非常具有標誌性的一篇論文，並立即受到大眾的認可，如同由詹姆斯·克拉克·麥克斯韋審查它在性質即一種美稱的方式。

在這篇論文中，他所發表的狀態方程式是出自於他的名字。這項實驗工作做了實際的操作，其中的液體和氣體的物質相融合成一個相互連續的方式。結果表明，這兩個階段是同一性質。范德華在計算他的狀態方程式時，假設不僅存在分子（原子的存在是有爭議的時候），而且他們是有限的規模和相互吸引。由於他是其中的第一個假設的分子間作用力，但起碼，這樣一支部隊現在有時也被稱為范德華力。

第二個重大發現在1880年被發表，當時他制定了相應的國家法律。這表明，范德華狀態方程式可以表示為一個簡單的函式的臨界壓力、臨界體積、臨界溫度。這是適用於所有常態物質中（見范德華方程）。化合物特定常數 A和B的原方程式所取代通用（複合獨立）的數量。正是這種規則，在擔任指導實驗，最終導致了詹姆斯杜瓦於1898年的液化氫，以及Heike Kamerlingh Onnes於1908年的氦氣。

1890年，范德華發表了論文的理論解二元檔案 Néerlandaises。通過與他的狀態方程與熱力學第二定律，其形式首次提出了威拉德吉布斯，他能夠得出一個圖形表示他的數學公式的形式在表面，他稱之為Ψ（PSI）的表面以下吉布斯，誰使用希臘字母Ψ自由能為一個系統的不同階段的平衡。

在1893年應該還提到范德華的毛細現象的理論在其基本形式第一次出現。與此相反的力學角度提供關於這一問題的早期由Pierre -西蒙拉普拉斯，范德華的熱力學方法。這是在有爭議的時候，由於存在分子和他們的永久，快速運動並沒有得到普遍接受之前，讓巴蒂斯特Perrin的實驗驗證愛因斯坦的理論解釋布朗運動。

科學貢獻

著名論文

以題為《論氣態和液態的連續性》的論文獲得了博士學位。在這篇論文中，他提出了自己的連續性思想。他認為，儘管人們在確定壓強時除了考慮分子的運動外，還要考慮其他因素，但是在物質的氣態和液態之間並沒有本質區別，需要考慮的一個重要因素是分子之間的吸引力和這些分子所占的體積，而這兩點在理想氣體中都被忽略了。從以上考慮出發，他得出了非理想氣體的狀態方程，即著名的范德瓦耳斯方程：（P+a/V2）（V-b）=RT；其中，P、V和T分別代表氣體的壓強、體積和溫度，R是氣體常數，a代表分子之間的相互吸引，b為分子的體積，且a，b對於不同的氣體有不同的值。

相對於其他實驗工作者提出的模型和狀態方程，范德瓦耳斯方程是最有用的，受到了廣泛的重視和套用。首先，它比較簡單，突出了決定流動性的分子的特徵；其次，它又能指出氣體有三相點，且能與在臨界溫度下可液化等性質相符合。當時的實驗發現，如果某一種氣體的溫度不在臨界值之下，那么它是不能只通過改變壓強來液化的。從范德瓦耳斯方程出發，臨界溫度，臨界體積，臨界壓強都可用a，b表示出來，且與實驗結果完全相符。

1880年，范德瓦耳斯還發現了對應定律。該理論預言了氣體液化所必需的條件，對所謂“永久”氣體的液化具有重要的指導作用。

范德華半徑

非金屬元素有一種半徑，叫范氏半徑。例如，在CdCl2晶體裡，測得在不同的“分子”（實際是層狀的大分子）里Cl與Cl間的核間距為：d（Cl-Cl）=0.376nm.

取其值的一半定為氯原子的范氏半徑，即：r范=1/2（0.376nm）=0.188nm.　對非金屬元素，總有r范>r共 ，從上圖可以清楚地看出這一關係。圖中表示出2個Cl2，在同一個Cl2里，2個Cl核間距的一半是共價半徑r共；在不同的2個Cl2間，2個Cl的核間距的一半是范氏半徑r范。顯而易見，r范>r共 .　一般來說，對於金屬元素，只有共價半徑和金屬半徑；而非金屬元素（稀有氣體除外）有共價半徑和范氏半徑；稀有氣體元素只有范氏半徑。高中教材上原子半徑全部用的是共價半徑，所以稀有氣體元素的半徑與同周期其它元素沒有可比性。

范德華力

分子間作用力又被稱為范德華力，按其實質來說是一種電性的吸引力。分子間作用力可以分為以下三種力：取向力；誘導力；色散力。

取向力　取向力發生在極性分子與極性分子之間。由於極性分子的電性分布不均勻，一端帶正電，一端帶負電，形成偶極。因此，當兩個極性分子相互接近時，由於它們偶極的同極相斥，異極相吸，兩個分子必將發生相對轉動。這種偶極子的互相轉動，就使偶極子的相反的極相對，叫做“取向”。這時由於相反的極相距較近，同極相距較遠，結果引力大於斥力，兩個分子靠近，當接近到一定距離之後，斥力與引力達到相對平衡。這種由於極性分子的取向而產生的分子間的作用力，叫做取向力。

取向力的大小與偶極距的平方成正比。

極性分子的偶極矩越大，取向力越大；溫度越高，取向力越小。

誘導力

在極性分子和非極性分子之間以及極性分子和極性分子之間都存在誘導力。

在極性分子和非極性分子之間，由於極性分子偶極所產生的電場對非極性分子發生影響，使非極性分子電子云變形（即電子云被吸向極性分子偶極的正電的一極），結果使非極性分子的電子云與原子核發生相對位移，本來非極性分子中的正、負電荷重心是重合的，相對位移後就不再重合，使非極性分子產生了偶極。這種電荷重心的相對位移叫做“變形”，因變形而產生的偶極，叫做誘導偶極，以區別於極性分子中原有的固有偶極。誘導偶極和固有偶極就相互吸引，這種由於誘導偶極而產生的作用力，叫做誘導力。

同樣，在極性分子和極性分子之間，除了取向力外，由於極性分子的相互影響，每個分子也會發生變形，產生誘導偶極。其結果使分子的偶極矩增大，既具有取向力又具有誘導力。在陽離子和陰離子之間也會出現誘導力。

誘導力的大小與非極性分子極化率和極性分子偶極距的乘積成正比。

色散力

非極性分子之間也有相互作用。粗略來看，非極性分子不具有偶極，它們之間似乎不會產生引力，然而事實上卻非如此。例如，某些由非極性分子組成的物質，如苯在室溫下是液體，碘、萘是固體；又如在低溫下，N2、O2、H2和稀有氣體等都能凝結為液體甚至固體。這些都說明非極性分子之間也存在著分子間的引力。當非極性分子相互接近時，由於每個分子的電子不斷運動和原子核的不斷振動，經常發生電子云和原子核之間的瞬時相對位移，也即正、負電荷重心發生了瞬時的不重合，從而產生瞬時偶極。而這種瞬時偶極又會誘導鄰近分子也產生和它相吸引的瞬時偶極。雖然，瞬時偶極存在時間極短，但上述情況在不斷重複著，使得分子間始終存在著引力，這種力可從量子力學理論計算出來，而其計算公式與光色散公式相似，因此，把這種力叫做色散力。

一般來說，分子量越大，分子內所含的電子數越多，分子的變形性越大，色散力越大。