Йоханнес Дидерик ван дер Ваальс

Йоханнес Дидерик ван дер Ваальс (нидерл. Johannes Diderik van der Waals; 23 ноября 1837, Лейден — 8 марта 1923, Амстердам) — нидерландский физик-теоретик и термодинамик, лауреат Нобелевской премии по физике 1910 года. Наиболее известен работами по уравнению состояния реальных газов и жидкостей, а также введением понятия «силы Ван-дер-Ваальса». Его труды заложили основы современной физики конденсированного состояния и молекулярной физики.

Биография

Ранние годы и образование

Ван дер Ваальс родился в Лейдене в семье плотника. Не имея возможности поступить в университет из-за отсутствия классического среднего образования (гимназии), он в течение нескольких лет самостоятельно изучал математику, физику и химию, работая учителем в начальной школе. В 1862 году он получил диплом учителя математики и физики, а в 1865 году — диплом учителя физики в Лейдене. Параллельно он посещал лекции в Лейденском университете, но не имел права сдавать экзамены на учёную степень.

Профессорская карьера

В 1873 году, после отмены ограничений на приём в университеты для лиц без гимназического образования, ван дер Ваальс защитил докторскую диссертацию «О непрерывности газообразного и жидкого состояний» (нидерл. Over de continuïteit van den gas- en vloeistoftoestand). Эта работа сразу принесла ему мировую известность. В 1877 году он был назначен профессором физики в недавно основанном Амстердамском университете, где проработал до выхода на пенсию в 1907 году. Среди его учеников был Хейке Камерлинг-Оннес, будущий первооткрыватель сверхпроводимости.

Научная деятельность

Уравнение Ван-дер-Ваальса

Основным вкладом ван дер Ваальса стало создание уравнения состояния, описывающего поведение реальных газов и жидкостей. В отличие от идеального газа, уравнение Ван-дер-Ваальса учитывает два ключевых фактора:

• Конечный объём молекул (параметр \( b \)), который уменьшает доступный для движения объём.
• Силы притяжения между молекулами (параметр \( a \)), которые снижают давление на стенки сосуда.

Уравнение в классической форме записывается как: \[ \left( P + \frac{a}{V_m^2} \right) (V_m - b) = RT \] где \( P \) — давление, \( V_m \) — молярный объём, \( T \) — температура, \( R \) — универсальная газовая постоянная.

Это уравнение впервые позволило описать фазовый переход «газ — жидкость» как непрерывный процесс, предсказав существование критической точки — температуры, выше которой газ невозможно сжижить никаким давлением. Экспериментально критическая точка была обнаружена Томасом Эндрюсом в 1869 году, но ван дер Ваальс дал ей теоретическое обоснование.

Силы Ван-дер-Ваальса

Термин «силы Ван-дер-Ваальса» ввёл в научный обиход позже (в начале XX века) для обозначения слабых межмолекулярных взаимодействий, не связанных с химическими связями. Ван дер Ваальс лишь постулировал их существование для объяснения отличия реальных газов от идеальных. Впоследствии эти силы были классифицированы на три типа:

• Ориентационные (диполь-дипольные) — между полярными молекулами (теория Кеезома, 1912).
• Индукционные (диполь-наведённый диполь) — между полярной и неполярной молекулами (теория Дебая, 1920).
• Дисперсионные (лондоновские) — между неполярными молекулами за счёт мгновенных флуктуаций электронной плотности (теория Лондона, 1930).

Хотя сам ван дер Ваальс не разрабатывал эти классификации, его имя стало нарицательным для всего класса межмолекулярных взаимодействий.

Теория соответственных состояний

В 1880 году ван дер Ваальс сформулировал закон соответственных состояний: если привести давление, объём и температуру к безразмерным величинам (поделив на критические параметры), то все вещества подчиняются одному и тому же уравнению состояния. Этот принцип широко используется в физической химии для оценки свойств веществ, для которых экспериментальные данные отсутствуют.

Признание и награды

• Нобелевская премия по физике (1910) — «За работу над уравнением состояния газов и жидкостей».
• Член Королевской академии наук и искусств Нидерландов (с 1875).
• Иностранный член Лондонского королевского общества (1910).
• В честь учёного названы кратер на Луне (Van der Waals) и астероид (32893 Van der Waals).
• Портрет ван дер Ваальса был помещён на нидерландскую банкноту в 25 гульденов (выпуск 1955 года).

Критика и ограничения

Уравнение Ван-дер-Ваальса, несмотря на свою историческую важность, имеет ограниченную точность. Оно даёт хорошие качественные результаты, но количественно отклоняется от экспериментальных данных, особенно вблизи критической точки. Современные уравнения состояния (например, Пенга — Робинсона, Соаве — Редлиха — Квонга) являются его усовершенствованными модификациями. Кроме того, модель предполагает сферическую симметрию молекул и не учитывает их внутреннюю структуру, что делает её малопригодной для полярных и ассоциированных жидкостей (например, воды).

Интересные факты

• Ван дер Ваальс начал академическую карьеру в возрасте 40 лет, что исключительно поздно для учёного его уровня.
• Его диссертация была написана на нидерландском языке, что было редкостью для научных работ того времени (основным языком науки была латынь или немецкий).
• Сын учёного, Йоханнес Дидерик ван дер Ваальс-младший (1873—1934), также стал физиком и работал над теорией капиллярности и поверхностного натяжения.

Источники

• Kipnis A. Ya., Yavelov B. E., Rowlinson J. S. Van der Waals and Molecular Science. — Oxford University Press, 1996.
• Brush S. G. The Kinetic Theory of Gases: An Anthology of Classic Papers with Historical Commentary. — Imperial College Press, 2003.
• Van der Waals J. D. Over de continuïteit van den gas- en vloeistoftoestand (диссертация). — Leiden, 1873.
• Нобелевская лекция Й. Д. ван дер Ваальса, 1910 (опубликована в Nobel Lectures, Physics 1901–1921, Elsevier, 1967).