Ян Дидерик ван дер Ваальс

Ян Дидерик ван дер Ваальс (нидерл. Johannes Diderik van der Waals; 23 ноября 1837, Лейден — 8 марта 1923, Амстердам) — нидерландский физик и химик, лауреат Нобелевской премии по физике 1910 года. Основные научные труды посвящены термодинамике, молекулярной физике и теории реальных газов и жидкостей. Наиболее известен как автор уравнения состояния реального газа, учитывающего силы межмолекулярного взаимодействия, которые впоследствии были названы вандерваальсовыми силами.

Биография

Ранние годы и образование

Ян Дидерик ван дер Ваальс родился 23 ноября 1837 года в Лейдене в семье плотника Якобюса ван дер Ваальса и его жены Элизабет ван ден Берг. Он был старшим из десяти детей. Семья жила в бедности, и Ян не мог получить систематическое школьное образование. В возрасте 15 лет он начал работать помощником учителя в начальной школе. Параллельно он самостоятельно изучал математику, физику и химию, посещая лекции в Лейденском университете в качестве вольнослушателя.

В 1862 году ван дер Ваальс сдал экзамены на звание учителя математики и физики, а в 1865 году — на звание директора школы. Он преподавал в различных учебных заведениях, включая гимназию в Гааге. В 1873 году, в возрасте 35 лет, он защитил докторскую диссертацию в Лейденском университете под руководством Питера Рейке. Тема диссертации — «О непрерывности газообразного и жидкого состояний» (нидерл. Over de continuïteit van den gas- en vloeistoftoestand) — стала революционной для физики того времени.

Научная карьера

После защиты диссертации ван дер Ваальс получил известность в научном сообществе. В 1877 году он был назначен профессором физики в недавно основанном Амстердамском университете. Он проработал на этой должности до выхода на пенсию в 1907 году. В Амстердаме он создал одну из ведущих европейских школ физики, воспитав ряд выдающихся учёных, в том числе Хейке Камерлинг-Оннеса, будущего первооткрывателя сверхпроводимости.

В 1910 году ван дер Ваальс был удостоен Нобелевской премии по физике «за работу над уравнением состояния газов и жидкостей». В своей нобелевской лекции он подчеркнул, что его теория не является окончательной, а лишь первым шагом к пониманию поведения реальных веществ.

Личная жизнь и последние годы

В 1864 году ван дер Ваальс женился на Анне Магдалене Смит. В браке родилось четверо детей: три дочери и сын, Йоханнес Дидерик ван дер Ваальс-младший, который также стал физиком. Анна умерла в 1881 году, что стало тяжёлым ударом для учёного. Ван дер Ваальс скончался 8 марта 1923 года в Амстердаме в возрасте 85 лет.

Научные достижения

Уравнение Ван дер Ваальса

Основным вкладом ван дер Ваальса в науку стало уравнение состояния, которое описывает поведение реальных газов и жидкостей. В отличие от идеального газа, модель ван дер Ваальса учитывает два ключевых фактора:

• Конечный объём молекул. В уравнении идеального газа (PV = nRT) объём молекул считается пренебрежимо малым. Ван дер Ваальс ввёл поправку b, которая представляет собой собственный объём молекул, уменьшая доступный для движения объём.
• Силы притяжения между молекулами. В реальном газе молекулы притягиваются друг к другу, что снижает давление на стенки сосуда. Поправка a, пропорциональная квадрату концентрации, учитывает это взаимодействие.

Уравнение имеет вид: \[ \left(P + \frac{a n^2}{V^2}\right)(V - n b) = n R T \] где P — давление, V — объём, T — температура, n — количество вещества, R — универсальная газовая постоянная, a и b — эмпирические константы, зависящие от природы вещества.

Это уравнение впервые позволило описать фазовый переход «газ — жидкость» как непрерывный процесс, что было подтверждено экспериментально (например, в опытах Томаса Эндрюса с углекислым газом). Ван дер Ваальс показал, что при температуре выше критической (Tкр) газ невозможно сжижить никаким давлением, а при T < Tкр существует область, где газ и жидкость сосуществуют.

Силы Ван дер Ваальса

Понятие сил межмолекулярного взаимодействия, введённое ван дер Ваальсом, получило дальнейшее развитие в физике и химии. В современной науке различают три типа вандерваальсовых сил:

1. Ориентационные силы (силы Кеезома) — возникают между полярными молекулами, имеющими постоянный дипольный момент.
2. Индукционные силы (силы Дебая) — возникают при поляризации неполярной молекулы под действием электрического поля полярной молекулы.
3. Дисперсионные силы (силы Лондона) — универсальные силы, обусловленные мгновенными флуктуациями электронной плотности; действуют между любыми атомами и молекулами, независимо от их полярности.

Эти силы играют фундаментальную роль в таких явлениях, как адгезия, поверхностное натяжение, вязкость, а также в структуре жидкостей и твёрдых тел (например, в молекулярных кристаллах).

Другие работы

Помимо уравнения состояния, ван дер Ваальс внёс вклад в теорию капиллярности, термодинамику растворов и теорию соответственных состояний (принцип, согласно которому свойства разных веществ можно сравнивать, используя приведённые параметры — давление, объём и температуру, отнесённые к критическим значениям). Он также разработал метод вычисления критических параметров вещества на основе констант a и b.

Значение и признание

Влияние на науку

Работы ван дер Ваальса оказали огромное влияние на развитие физики и химии. Его уравнение стало основой для многих последующих моделей реальных газов (например, уравнения Ван дер Ваальса — Редлиха — Квонга, Пенга — Робинсона). Концепция межмолекулярных сил легла в основу физической химии, коллоидной химии и материаловедения.

Особенно важным было влияние на криогенику. Ученик ван дер Ваальса, Хейке Камерлинг-Оннес, используя его теоретические идеи, в 1908 году впервые в мире получил жидкий гелий, а в 1911 году открыл сверхпроводимость.

Награды и память

• Нобелевская премия по физике (1910).
• Медаль Румфорда (1910) — за исследования в области теплоты.
• Иностранный член Лондонского королевского общества (1910).
• Член Нидерландской королевской академии наук (с 1875 года).

Именем учёного названы:

• Вандерваальсовы силы — межмолекулярные взаимодействия.
• Уравнение Ван дер Ваальса.
• Кратер Ван дер Ваальс на обратной стороне Луны.
• Астероид 32893 Ван дер Ваальс.
• Медаль Ван дер Ваальса, присуждаемая Нидерландским физическим обществом за выдающиеся достижения в физике.

Источники

• Van der Waals, J. D. (1873). Over de continuïteit van den gas- en vloeistoftoestand. Dissertation, Leiden University.
• Nobel Foundation. (1910). Johannes Diderik van der Waals – Biographical.
• Kipnis, A. Ya., Yavelov, B. E., & Rowlinson, J. S. (1996). Van der Waals and Molecular Science. Oxford University Press.
• Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. (1976). Статистическая физика. Часть 1. М.: Наука.
• Большая советская энциклопедия. (1971). Статья «Ван-дер-Ваальс, Ян Дидерик».