范德瓦尔斯力的产生机理及其计算

西安文理学院物理与机械电子工程学院本科毕业论文（设计）题目范德瓦尔斯力的产生机理及其计算专业班级09物理学01班学号07101090***学生姓名****指导教师******设计所在单位西安文理学院2013年5月范德瓦尔斯力的产生机理及其计算摘要：本文从范德瓦尔斯力是分子间的弱的静电相互作用出发，通过理论分析、构建模型、数学计算等方法，分析了取向相互作用、诱导相互作用和色散相互作用，研究了这三种力的产生机理，得出了它们各自的计算式并以此得出了范德瓦尔斯力的计算式。最后运用宏观响应理论深入分析了低维度情况下色散力的计算。关键词：范德瓦尔斯力；分子偶极矩；取向力；诱导力；色散力TheGenerationMechanismandComputationofVanderVaalsForcesAbstract：BasedonthefactthatVanderWaalsforcesareweakinteractionsbetweenintermolecularstaticelectricity,thepaperanalyzesorientationforces,inductionforcesanddispersionforces,whosegenerationmechanismareprobedintoandtheformulasareobtained,fromwhichtheformulaofVanderwaalsforcesisderivedthroughtheoreticalanalysis,modelconstruction,andmathematicalcalculation,etc.Finally,theanalysisofdispersionforcecalculationinlow-dimensionalsettingsisdonethroughmacroscopicresponseformalism.Keywords：VanderWaalsforces;thedipolemomentofmolecular;orientationforces;inductionforces;dispersionforces目录第1页目录第1章绪论..........................................................................................................................................11.1选题的目的与意义....................................................................................................................11.2范德瓦尔斯力在国内外的发展趋势........................................................................................11.3本课题主要讨论的问题............................................................................................................2第2章取向作用势..............................................................................................................................32.1取向作用势的产生机理............................................................................................................32.2取向作用势的计算....................................................................................................................3第3章诱导作用势..............................................................................................................................63.1诱导作用势的产生机理............................................................................................................63.2诱导作用势的计算....................................................................................................................6第4章色散作用势..............................................................................................................................84.1色散作用势的产生机理............................................................................................................84.2色散作用势的简单计算............................................................................................................94.3宏观响应理论计算低维色散作用势......................................................................................114.3.1宏观响应理论...............................................................................................................124.3.2低维色散作用能的计算................................................................................................13结束语....................................................................................................................................................16致谢........................................................................................................................................................17参考文献................................................................................................................................................18附录......................................................................................................................................................20附录A：英文原文.........................................................................................................................20附录B：中文译文.........................................................................................................................27西安文理学院本科毕业设计（论文）第1页第1章绪论1.1选题的目的与意义范德瓦尔斯力是存在于中性分子或原子之间的一种弱的电性吸引力。它是分子间相互结合的主要原因，并且其中的色散力是惰性气体在低温下能液化甚至固化的重要原因。因此研究范德瓦尔斯力能让我们更好的了解物质的微观结构，包括分子或原子内部的结构变化，以及分子间的一些作用力是怎么形成的。因此，本选题的目的是充分全面地阐述范德瓦尔斯力，使初学者对范德瓦尔斯力有更加全面的了解。范德瓦尔斯力对物质的一些性质有很大影响。一是对物质沸点,熔点的影响。惰性气体和一些简单对称分子的沸点、熔点随原子量或分子量增大而升高；若无其它因素影响，极性分子的沸点，熔点随分子量增大而升高；同系物的沸点，熔点随分子量增大而升高；同分异构体中，直链化合物比支链化合物沸点，熔点高。二是对物质溶解度的影响。物质的溶解与分子间作用力有密切的关系，在溶解过程中自由能减少，因此当溶质和溶剂相似，即溶质内部分子间相互作用能与溶剂分子间相互作用能接近，它们混合后的相互作用能与他们单独存在时的作用能相差不大，故自由能容易小于0，故能互溶。三是对物质吸附能力的影响。固体对气、液的吸附分为物理吸附和化学吸附，物理吸附的作用力是范德瓦尔斯力。极性吸附剂易吸附极性分子，这里取向力、诱导力和色散力都在起作用；非极性分子吸附非极性分子，它们之间的作用力主要是色散力；极性吸附剂吸附非极性分子，这里诱导力和色散力起主要作用。四是对物质表面能的影响。物质表面能的来源也是分子间作用力，分子间作用力强的物质，表面能就大，反之，则小。研究范德瓦尔斯力，是更深入的研究物质的这些性质的基础，因此研究范德瓦尔斯力能让我们更加的了解这些物质的性质，并将其更好的运用到生活中去。1.2范德瓦尔斯力在国内外的发展趋势粒子之间是通过范德瓦尔斯力结合在一起的，但不同粒子之间范德瓦尔斯力的成因又不尽相同。离子晶体的结合是由于相异离子之间库仑力的存在而结合，而分子是中性的，分子晶体中分子之间是靠什么力结合在一起的？对这个问题，在历史上并不是一下子就认识清楚的，而是经历了一段认识的发展过程。1912年葛生keesom研究了极性分子之间的相互作用，1921年德拜Debye研究了极性分子与非极性分子之间的相互作用，1930年伦敦London研究了非极性分子例如惰性原子之间的相互作用。这3种力分别称为取向力、诱导力和色散力。在国内，1959年，孙家踵、蒋棣成、周木易等人阐述了离子间的相互作用能和西安文理学院本科毕业设计（论文）第2页离子间的诱导力[1-3]。1961年，孙家踵、蒋棣成对非对称螺旋分子的范德瓦尔斯力做了透彻全面的分析[4]。1958年，李淑民阐述了范德瓦尔斯力对物质的一些性质的影响[5]。近期国内对理论缺乏更深入的研究。在国外，学者们已经对范德瓦尔斯力有了更深入的研究。最近英国《自然》杂志上报告说，壁虎