约翰尼斯·迪德里克·范·德·瓦耳斯

约翰尼斯·迪德里克·范·德·瓦耳斯（Johannes Diderik van der Waals，1837年11月23日-1923年3月8日），通常称为范德·瓦耳斯或范德华，荷兰物理学家。

人物经历

早年教育

Johannes Diderik是十个孩子中的老大，他的父母名为杰科布斯‧范德华及伊丽莎白‧范登贝尔赫。他的父亲是一个住在荷兰莱顿市的木匠。在十九世纪，工人阶级的孩子通常是没有能力就读中学然后晋升大学就读的。不过，他接受学校的小学教育，并于十五岁时完成学业。后来，他成为一名小学老师的助教。1856年至1861年间，他跟着老师学习，顺利考取教师执照，成为一名小学老师，并晋升为教务主任。1862年，他开始参加数学、物理学和天文学的讲座，他在城里的大学中虽然他是一个未经录取的正式学生，不过那是因为他缺乏一部份的古典语言上的教育。然而，莱顿大学有一项规定，提供境外学生所需的长达四年之课程。1863荷兰政府创立了一所新的中学 (HBS─哈佛商学院)，为服务那些高、中产阶级的孩子。范德华是当时一所小学的负责人，希望成为一名在哈佛商学院教授数学及物理课的教师，他花了两年的空闲时间为所需要的考试做准备。1865年，他被聘请为在Deventer的哈佛商学院的物理教师，并且在1866年，他在海牙也获得这样的职位，他在那里就读的大学足以使莱顿范德华更加容易衔接之前所学的课程。在搬家到Deventer Johannes Diderik之前，他就已与十八岁的安娜莲娜斯密特在1865年9月结婚。

职业生涯

1864年他被任命为一所在Devente的中学的教师。1866 年他搬到Hague，先是任职老师而之后成为了中学的主任。而范德华在他求学生涯中遇到了一些问题，因为他仍然缺乏能使他有权进入大学当正规学生和考试的古典语言的知识。但是，凡事都有凑巧，法律规范使高考发生了变化，教育部长改变了高考进入大学的规则，免除了必须研究古典语言的这项规定。范德华也因此通过了资格考试，得到了物理和数学博士学位。在莱顿大学，6月14日，1873年，他捍卫了他根据Pieter Rijke所写的博士论文Over de Continuiteit van den Gas en Vloeistoftoestand（在连续性的气态和液态）。在这篇论文中，他介绍了分子体积和分子吸引力的概念。他以一篇标题为 Over de Continuiteit van den Gas - en Vloeistoftoestand(On the continuity of the gas and liquid state)的论文获得了博士学位，并且立即使他名列为首要等级的物理学家。在这篇论文中他提出了同时可解释气体态和液体态的"状态方程式"。他指出，这两个状态的混合体不仅以一种连续性的方式合并成彼此，他们实际上还有着同样的特性。这个从van der Waals第一份论文得到的结论的重要性可以从James Clerk Maxwell在"Nature"杂志中的注解得到证明：毫无疑问地，van der Waals的名字很快地将会出现在主流的分子科学之中；并且：这将使得不只一位研究者去研究粗浅的荷兰语─因为这篇论文是以荷兰文写的(Maxwell大概是要说"粗浅的德语"，不过这也是不正确的，因为以荷兰语写作是因van der Waals本身之能力)。随后，在Proceedings of the Royal Netherlands Academy of Sciences及Archives Neerlandaises中，许多和这主题相关的论文都被发表出来了，并且，他们也被翻译成其它语言。1877年9月范德华被任命为阿姆斯特丹市立大学的物理系第一教授。他有两个著名的同事─物理化学家Jacobus Henricus van 't Hoff和生物学家Hugo de Vries。可以预期从以前的小学老师，范德华就是一位杰出且令人印象深刻的讲师。范德华持续在阿姆斯特丹大学任教，直到他到了退休的年龄，他当时70岁。他的儿子Johannes Diderik van der Waals, Jr.接替了他爸爸的光辉，他同时也是一个理论物理学家。

科研工作

范德华的主要兴趣在热力学。他受到鲁道夫·克劳修斯非常大的影响，1857年他的论文题目为über die Art der Bewegung，welche wir Wärme nennen（这类的运动方式，我们称之为热）。后来范德华受到该著作者詹姆斯·克拉克·麦克斯韦、路德维希·玻尔兹曼和威拉德·吉布斯很大的影响，。克劳修斯的工作促使他去寻求解释托马斯安德鲁实验，在1869年时他发表了存在临界温度的液体理论。他设法将描述的现象和临界温度的凝结下一个定论，1873年在他的论文发表中，题目是关于Over de Continuïteit van den Gas- en Vloeistoftoestand（是指连续性的气体和液体状态）。这是一项在物理学中非常具有标志性的一篇论文，并立即受到大众的认可，如同由詹姆斯·克拉克·麦克斯韦审查它在性质即一种美称的方式。在这篇论文中，他所发表的状态方程式是出自于他的名字。这项实验工作做了实际的操作，其中的液体和气体的物质相融合成一个相互连续的方式。结果表明，这两个阶段是同一性质。范德华在计算他的状态方程式时，假设不仅存在分子（原子的存在是有争议的时候），而且他们是有限的规模和相互吸引。由于他是其中的第一个假设的分子间作用力，但起码，这样一支部队现在有时也被称为范德华力。第二个重大发现在1880年被发表，当时他制定了相应的国家法律。这表明，范德华状态方程式可以表示为一个简单的函数的临界压力、临界体积、临界温度。这是适用于所有常态物质中（见范德华方程）。化合物特定常数 A和B的原方程式所取代通用（复合独立）的数量。正是这种规则，在担任指导实验，最终导致了詹姆斯杜瓦于1898年的液化氢，以及Heike Kamerlingh Onnes于1908年的氦气。1890年，范德华发表了论文的理论解二元档案 Néerlandaises。通过与他的状态方程与热力学第二定律，其形式首次提出了威拉德吉布斯，他能够得出一个图形表示他的数学公式的形式在表面，他称之为Ψ（PSI）的表面以下吉布斯，谁使用希腊字母Ψ自由能为一个系统的不同阶段的平衡。在1893年应该还提到范德华的毛细现象的理论在其基本形式第一次出现。与此相反的力学角度提供关于这一问题的早期由Pierre -西蒙拉普拉斯，范德华的热力学方法。这是在有争议的时候，由于存在分子和他们的永久，快速运动并没有得到普遍接受之前，让巴蒂斯特Perrin的实验验证爱因斯坦的理论解释布朗运动。

个人生活

家庭生活

他再1865年娶了Anna Magdalena Smit，两人有三个女儿（Anne Madeleine，Jacqueline Elisabeth（Jacqueline Elisabeth是历史老师和一位知名的女诗人），Johanna Diderica(Johanna Diderica是一位英语老师)）和一个儿子，物理学家Johannes Diderik, Johannes Diderik Jr.于1903年到1908年担任Groningen大学的物理教授，并继他的父亲之后担任阿姆斯特丹大学的物理讲座教授，Jr.的侄子Peter van der Waals是一个橱柜制造商，并在格洛斯特郡学院工艺美术系是个领军人物，在1881年，他的妻子死于肺结核，享年34岁。在Anna去逝以后，女儿们回到家中照看她们的父亲，范德华从此没有再婚，对他妻子的死感到非常震撼，此后的十年，他都没有再公布任何关于他事情，van der Waals 的主要休闲是散步，尤其是在在乡间，以及阅读。最后范德华于1923年3月8日死于阿姆斯特丹，享年85岁，一年后，他的女儿Jacqueline也相继去世。

主要成就

范德华获得了无数的荣誉和声望，除了在72岁（1910年）范德华被授予诺贝尔物理学奖。他被授予剑桥大学的博士学位，被世界荣誉协会的会员誉为莫斯科的博物学家，爱尔兰皇家科学院和美国哲学学会会员，也就是法兰西学院和柏林皇家科学院的会员，比利时皇家科学院的准会员和外国化学伦敦学会会员，美国的国家科学院，和罗马的学院代学院。范德华是其中一个成员，皇家Nederlandse Akademie van Wetenschappen（荷兰皇家艺术与科学学会）。从 1896年直到1912年，他是这个学会的秘书。著名论文范德瓦尔斯以题为《论气态与液态之连续性》的论文获得了博士学位。在这篇论文中，他提出了自己的连续性思想。他认为，尽管人们在确定压强时除了考虑分子的运动外，还要考虑其他因素，但是物质的气态和液态之间并没有本质区别，需要考虑的一个重要因素是分子之间的吸引力和这些分子所占的体积，而这两点在理想气体中都被忽略了。从以上考虑出发，他得出了非理想气体的状态方程，即著名的范德瓦耳斯状态方程：\[ p = \frac{nRT}{V-nb} - \frac{n^2a}{V^2} \]其中，p、Vm和T分别代表气体的压强、体积和温度，R是理想气体常数，a代表分子之间的相互吸引，b为分子的体积，a，b值可由实验测定的数据确定。相对于其他实验工作者提出的模型和状态方程，范德瓦耳斯方程是最有用的，受到了广泛的重视和应用。首先，它比较简单，突出了决定流动性的分子的特征；其次，它又指出气体有三相点，且能与在临界温度下可液化等性质相符合。当时的实验发现，如果某一种气体的温度不在临界值之下，那么它是不能只通过改变压强来液化的。从范德瓦耳斯方程出发，临界温度，临界体积，临界压强都可用a，b表示出来，且与实验结果完全相符。1880年，范德瓦耳斯还发现了对应状态定律。该理论预言了气体液化所必需的条件，对所谓永久性气体的液化具有重要的指导作用。范德华半径非金属元素有一种半径，叫范氏半径。例如，在CdCl2晶体里，测得在不同的“分子”（实际是层状的大分子）里Cl与Cl间的核间距为0.376 nm.取其值的一半定为氯原子的范氏半径，即：，对非金属元素，总有，从图1 可以清楚地看出这一关系。图1中表示出2个Cl2，在同一个Cl2里，2个Cl核间距的一半是共价半径r共；在不同的2个Cl2间，2个Cl的核间距的一半是范氏半径r范。显而易见，。一般来说，对于金属元素，只有共价半径和金属半径；而非金属元素（稀有气体除外）有共价半径和范氏半径；稀有气体元素只有范氏半径。高中教材上原子半径全部用的是共价半径，所以稀有气体元素的半径与同周期其它元素没有可比性。稀有气体在极低的温度下形成单原子分子的分子晶体，在这种晶体里，两个原子核间距的一半就是稀有气体原子的范德华半径。范德华力分子间作用力又被称为范德华力，按其实质来说是一种电性的吸引力。分子间作用力可以分为以下三种力：取向力；诱导力；色散力。取向力发生在极性分子与极性分子之间。由于极性分子的电性分布不均匀，一端带正电，一端带负电，形成偶极。因此，当两个极性分子相互接近时，由于它们偶极的同极相斥，异极相吸，两个分子必将发生相对转动。这种偶极子的互相转动，就使偶极子的相反的极相对，叫做“取向”。这时由于相反的极相距较近，同极相距较远，结果引力大于斥力，两个分子靠近，当接近到一定距离之后，斥力与引力达到相对平衡。这种由于极性分子的取向而产生的分子间的作用力，叫做取向力。取向力的大小与偶极距的平方成正比。极性分子的偶极矩越大，取向力越大；温度越高，取向力越小。在极性分子和非极性分子之间以及极性分子和极性分子之间都存在诱导力。在极性分子和非极性分子之间，由于极性分子偶极所产生的电场对非极性分子发生影响，使非极性分子电子云变形（即电子云被吸向极性分子偶极的正电的一极），结果使非极性分子的电子云与原子核发生相对位移，本来非极性分子中的正、负电荷重心是重合的，相对位移后就不再重合，使非极性分子产生了偶极。这种电荷重心的相对位移叫做“变形”，因变形而产生的偶极，叫做诱导偶极，以区别于极性分子中原有的固有偶极。诱导偶极和固有偶极就相互吸引，这种由于诱导偶极而产生的作用力，叫做诱导力。同样，在极性分子和极性分子之间，除了取向力外，由于极性分子的相互影响，每个分子也会发生变形，产生诱导偶极。其结果使分子的偶极矩增大，既具有取向力又具有诱导力。在阳离子和阴离子之间也会出现诱导力。诱导力的大小与非极性分子极化率和极性分子偶极距的乘积成正比。非极性分子之间也有相互作用。粗略来看，非极性分子不具有偶极，它们之间似乎不会产生引力，然而事实上却非如此。例如，某些由非极性分子组成的物质，如苯在室温下是液体，碘、萘[nài]是固体；又如在低温下，N2、O2、H2和稀有气体等都能凝结为液体甚至固体。这些都说明非极性分子之间也存在着分子间的引力。当非极性分子相互接近时，由于每个分子的电子不断运动和原子核的不断振动，经常发生电子云和原子核之间的瞬时相对位移，也即正、负电荷重心发生了瞬时的不重合，从而产生瞬时偶极。而这种瞬时偶极又会诱导邻近分子也产生和它相吸引的瞬时偶极。虽然，瞬时偶极存在时间极短，但上述情况在不断重复着，使得分子间始终存在着引力，这种力可从量子力学理论计算出来，而其计算公式与光色散公式相似，因此，把这种力叫做色散力。一般来说，分子量越大，分子内所含的电子数越多，分子的变形性越大，色散力越大。