約翰尼斯·迪德里克·范·德·瓦耳斯（荷蘭物理學(xué)家）

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11月23日~1923年3月8日），荷蘭物理學(xué)家。

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

人物生平

早年時光和教育

1837年11月23日約翰內(nèi)斯·迪德里克·范德瓦爾斯出生于荷蘭萊頓。約翰尼斯·迪德里克是十個孩子中的老大，他的父母名為雅各布斯·范德瓦爾斯( Jacobus van der Waals)和伊麗莎白·范登伯格(Elisabeth van den Berg)。他的父親是一個住在荷蘭萊頓市的木匠。 在十九世紀(jì)，工人階級的孩子通常是沒有能力就讀中學(xué)然后晉升大學(xué)就讀的。 不過，他接受了“高級初等教育”(advanced primary education)，并于十五歲時完成學(xué)業(yè)。后來，他成為一名小學(xué)老師的助教。

1856年至1861年間，他跟著老師學(xué)習(xí)，順利考取了成為一名小學(xué)老師或班主任的資質(zhì)。

1862年，他開始在萊頓大學(xué)參加數(shù)學(xué)、物理學(xué)和天文學(xué)的講座，盡管他是一個未經(jīng)錄取的正式學(xué)生（部分原因是他缺乏古典語言的教育）。然而，萊頓大學(xué)有一項規(guī)定，允許校外學(xué)生一年上四門課。

1863年，荷蘭政府創(chuàng)立了一所新中學(xué) (HBS，一所針對高中生的學(xué)校)，范德瓦爾斯當(dāng)時是一所小學(xué)的校長，他希望成為一名在HBS教授數(shù)學(xué)及物理的教師，他花了兩年的空閑時間為考試做準(zhǔn)備。

1865年，他被聘請為在代芬特爾市的HBS的物理教師，在1866年，他在海牙也獲得這樣的職位，而海牙離萊頓足夠近，于是范德瓦爾斯同時到萊頓大學(xué)復(fù)課。

1865年9月，在搬家到代芬特爾市之前，他與十八歲的安娜·瑪格達(dá)琳娜·史密特(Anna Magdalena Smit)結(jié)婚。

職業(yè)生涯

1864年他被任命為一所在代芬特爾市的中學(xué)的教師。

1866年他搬到海牙，先是任職老師而之后成為了中學(xué)的主任。而范德瓦爾斯仍然缺乏古典語言的知識，這些知識本來可以使他有權(quán)參加考試并作為普通學(xué)生進(jìn)入大學(xué)。然而，碰巧的是，大學(xué)入學(xué)的規(guī)則發(fā)生了變化：通過教育部長的許可，可以免除古典語言的學(xué)習(xí)參加資格考試。范德瓦爾斯獲得了通過了教育部長的許可，并且通過了物理和數(shù)學(xué)博士資格考試。

1873年6月14日，在萊頓大學(xué)，他的博士論文《論氣態(tài)與液態(tài)之連續(xù)性》(Over de Continuiteit van den Gas en Vloeistoftoestand)通過了答辯。在這篇論文中，他介紹了分子體積和分子間作用力的概念，還提出了可同時解釋氣態(tài)和液態(tài)的“狀態(tài)方程”。隨后，在荷蘭皇家科學(xué)院院刊(Proceedings of the Royal Netherlands Academy of Sciences)及Archives Néerlandaises中，許多相關(guān)的論文相繼發(fā)表，并被翻譯成其它語言。

1877年9月范德瓦爾斯被任命為新成立的阿姆斯特丹市立大學(xué)的第一位物理學(xué)教授。他有兩個著名的同事——物理化學(xué)家雅各布斯·亨里克斯·范托夫(Jacobus Henricus van 't Hoff)和生物學(xué)家雨果·德弗里斯(Hugo de Vries)。范德瓦爾斯在70歲退休前一直在阿姆斯特丹大學(xué)任教。他的兒子Johannes Diderik van der Waals,?Jr.接替了他父親的職位?，他同時也是一個理論物理學(xué)家。

婚姻家庭

他在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(xué)家Johannes Diderik, Jr.)，Johannes Diderik, Jr.于1903年到1908年擔(dān)任格羅寧根大學(xué)的物理教授，并繼他的父親之后擔(dān)任阿姆斯特丹大學(xué)的物理講座教授，Jr.的侄子Peter是一個櫥柜制造商，在格洛斯特郡學(xué)院工藝美術(shù)系頗有造詣。在1881年，他的妻子死于肺結(jié)核，享年34歲。 在Anna去逝以后，女兒們回到家中照看她們的父親，范德瓦爾斯從未再婚，妻子的去世讓他非常震驚，他在之后大約十年內(nèi)什么都沒發(fā)表。

范德瓦爾斯的主要休閑是散步（尤其是在鄉(xiāng)間），以及閱讀。

范德瓦爾斯于1923年3月8日去世于阿姆斯特丹，享年85歲，一年后，他的女兒Jacqueline也不幸離世。

他的孫子克里斯托弗·范德華(Christopher D. Vanderwal)是加州大學(xué)歐文分校著名的化學(xué)教授。

主要成就

范德瓦爾斯除了獲得1910年諾貝爾物理學(xué)獎外，還獲得了許多榮譽(yù)和榮譽(yù)。他被授予劍橋大學(xué)榮譽(yù)博士學(xué)位；被授予莫斯科皇家博物學(xué)家學(xué)會、愛爾蘭皇家學(xué)院和美國哲學(xué)學(xué)會榮譽(yù)會員，法蘭西學(xué)院和柏林皇家科學(xué)院通訊院士，比利時皇家科學(xué)院準(zhǔn)會員；倫敦化學(xué)學(xué)會、美國國家科學(xué)院和羅馬林奇學(xué)會(Accademia dei Lincei of Rome)外籍院士，范德瓦爾斯自1875年以來一直是荷蘭皇家科學(xué)院院士。從1896年到1912年，他是荷蘭皇家科學(xué)院的秘書，他還于1912年被選為荷蘭化學(xué)學(xué)會名譽(yù)會員。

科研工作

范德瓦爾斯的主要興趣在熱力學(xué)。他受到了魯?shù)婪颉た藙谛匏?857年的一篇論文的影響，這篇論文的題目是《關(guān)于我們稱之為熱的運(yùn)動》(über die Art der Bewegung, welche wir W?rme nennen)?。范德瓦爾斯后來深受詹姆斯·克拉克·麥克斯韋、路德維?！げ柶澛屯隆ぜ妓沟闹鞯挠绊??？藙谛匏沟墓ぷ鞔偈顾麑ふ彝旭R斯·安德魯斯實驗的一個解釋，1869年安德魯斯揭示了流體中臨界溫度的存在。范德瓦爾斯在他的1873年的論文中對凝結(jié)現(xiàn)象和臨界溫度現(xiàn)象作了半定量的描述，論文題目是《論氣態(tài)與液態(tài)之連續(xù)性》(Over de Continu?teit van den Gas- en Vloeistoftoestand) 。他指出，這兩個狀態(tài)的混合體不僅以一種連續(xù)性的方式混合，他們實際上還有著同樣的特性。該論文的發(fā)表立即使他成為首要的物理學(xué)家。這個從范德瓦爾斯第一份論文得出的結(jié)論的重要性可以從詹姆斯·克拉克·麥克斯韋在《自然》雜志中的注解得到證明：“毫無疑問地，范德瓦爾斯的名字很快地將會出現(xiàn)于在分子科學(xué)的前沿之中”?。

在這篇論文中，他所發(fā)表的狀態(tài)方程式是出自于他的名字。這項實驗工作做了實際的操作，其中的液體和氣體的物質(zhì)相融合成一個相互連續(xù)的方式。結(jié)果表明，這兩個階段是同一性質(zhì)。范德瓦爾斯在計算他的狀態(tài)方程式時，假設(shè)不僅存在分子（原子的存在當(dāng)時有爭議?），而且假設(shè)它們大小有限，相互吸引。因為他是最早提出分子間力（盡管這種力很基礎(chǔ)）的人之一，所以這種力現(xiàn)在有時被稱為范德華力。

第二個重大發(fā)現(xiàn)發(fā)表于1880年，當(dāng)時他公式化了對應(yīng)狀態(tài)定律。這表明范德瓦爾斯方程可以用臨界壓力、臨界體積和臨界溫度的簡單函數(shù)這種一般形式適用于所有物質(zhì)。原始方程中的化合物特定常數(shù)a和b被通用（化合物無關(guān)）量所代替。正是這條定律在實驗中起到了指導(dǎo)作用，后來促成了1898年詹姆斯·杜瓦（James Dewar）的氫液化和1908年?？恕た懒帧W涅斯（Heike Kamerlingh Onnes）的氦液化。

1890年，范德瓦爾斯在Archives Néerlandaises上發(fā)表了一篇關(guān)于Theory of Binary Solutions的論文。通過將他的狀態(tài)方程與熱力學(xué)第二定律（威拉德·吉布斯首先提出的形式）聯(lián)系起來，他能夠得到數(shù)學(xué)公式的圖形表示，即他按吉布斯的叫法稱之為Ψ面的形式，他用希臘字母Ψ表示平衡狀態(tài)下不同階段的自由能。

還應(yīng)提到范德瓦爾斯的毛細(xì)現(xiàn)象理論，其基本形式最早出現(xiàn)在1893年。與皮埃爾·西蒙·拉普拉斯（Pierre Simon?Laplace）早先提供的關(guān)于這個問題的力學(xué)觀點不同，范德瓦爾斯采用了熱力學(xué)方法，而這在當(dāng)時是有爭議的，因為在阿爾伯特·愛因斯坦對布朗運(yùn)動的理論解釋的佩蘭的實驗驗證之前，分子的存在及其永久的、快速的運(yùn)動的觀點還未被普遍接受。

科學(xué)貢獻(xiàn)

著名論文

范德瓦爾斯以題為《論氣態(tài)與液態(tài)之連續(xù)性》的論文獲得了博士學(xué)位。在這篇論文中，他提出了自己的連續(xù)性思想。他認(rèn)為，盡管人們在確定壓強(qiáng)時除了考慮分子的運(yùn)動外，還要考慮其他因素，但是物質(zhì)的氣態(tài)和液態(tài)之間并沒有本質(zhì)區(qū)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(fā)，他得出了非理想氣體的狀態(tài)方程，即著名的范德瓦耳斯?fàn)顟B(tài)方程：

其中，p、V_m和T分別代表氣體的壓強(qiáng)、體積和溫度，R是理想氣體常數(shù)，a代表分子之間的相互吸引，b為分子的體積，a，b值可由實驗測定的數(shù)據(jù)確定。

相對于其他實驗工作者提出的模型和狀態(tài)方程，范德瓦耳斯方程是最有用的，受到了廣泛的重視和應(yīng)用。首先，它比較簡單，突出了決定流動性的分子的特征；其次，它又指出氣體有三相點，且能與在臨界溫度下可液化等性質(zhì)相符合。當(dāng)時的實驗發(fā)現(xiàn)，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(qiáng)來液化的。從范德瓦耳斯方程出發(fā)，臨界溫度，臨界體積，臨界壓強(qiáng)都可用a，b表示出來，且與實驗結(jié)果完全相符。

1880年，范德瓦耳斯還發(fā)現(xiàn)了對應(yīng)狀態(tài)定律。該理論預(yù)言了氣體液化所必需的條件，對所謂永久性氣體的液化具有重要的指導(dǎo)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晶體里，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0.376 nm.

取其值的一半定為氯原子的范氏半徑，即：?，對非金屬元素，總有，從圖1 可以清楚地看出這一關(guān)系。圖1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，

。一般來說，對于金屬元素，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。

稀有氣體在極低的溫度下形成單原子分子的分子晶體，在這種晶體里，兩個原子核間距的一半就是稀有氣體原子的范德華半徑。

范德華力

分子間作用力又被稱為范德華力，按其實質(zhì)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(dǎo)力；色散力。

取向力發(fā)生在極性分子與極性分子之間。由于極性分子的電性分布不均勻，一端帶正電，一端帶負(fù)電，形成偶極。因此，當(dāng)兩個極性分子相互接近時，由于它們偶極的同極相斥，異極相吸，兩個分子必將發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。這種偶極子的互相轉(zhuǎn)動，就使偶極子的相反的極相對，叫做“取向”。這時由于相反的極相距較近，同極相距較遠(yuǎn)，結(jié)果引力大于斥力，兩個分子靠近，當(dāng)接近到一定距離之后，斥力與引力達(dá)到相對平衡。這種由于極性分子的取向而產(chǎn)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。

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(dǎo)力。

在極性分子和非極性分子之間，由于極性分子偶極所產(chǎn)生的電場對非極性分子發(fā)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(jié)果使非極性分子的電子云與原子核發(fā)生相對位移，本來非極性分子中的正、負(fù)電荷重心是重合的，相對位移后就不再重合，使非極性分子產(chǎn)生了偶極。這種電荷重心的相對位移叫做“變形”，因變形而產(chǎn)生的偶極，叫做誘導(dǎo)偶極，以區(qū)別于極性分子中原有的固有偶極。誘導(dǎo)偶極和固有偶極就相互吸引，這種由于誘導(dǎo)偶極而產(chǎn)生的作用力，叫做誘導(dǎo)力。

同樣，在極性分子和極性分子之間，除了取向力外，由于極性分子的相互影響，每個分子也會發(fā)生變形，產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極。其結(jié)果使分子的偶極矩增大，既具有取向力又具有誘導(dǎo)力。在陽離子和陰離子之間也會出現(xiàn)誘導(dǎo)力。

誘導(dǎo)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。

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(chǎn)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(zhì)，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(jié)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(dāng)非極性分子相互接近時，由于每個分子的電子不斷運(yùn)動和原子核的不斷振動，經(jīng)常發(fā)生電子云和原子核之間的瞬時相對位移，也即正、負(fù)電荷重心發(fā)生了瞬時的不重合，從而產(chǎn)生瞬時偶極。而這種瞬時偶極又會誘導(dǎo)鄰近分子也產(chǎn)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復(fù)著，使得分子間始終存在著引力，這種力可從量子力學(xué)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(nèi)所含的電子數(shù)越多，分子的變形性越大，色散力越大。