约翰尼斯·迪德里克·范·德·瓦耳斯（荷兰物理学家）

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

曾任阿姆斯特丹大学教授。对气体和液体的状态方程所作的工作。获得1910年诺贝尔物理学奖。化学中有以他名字命名的范德华力（即分子间作用力）。

人物生平

早年时光和教育

1837年11月23日约翰内斯·迪德里克·范德瓦尔斯出生于荷兰莱顿。约翰尼斯·迪德里克是十个孩子中的老大，他的父母名为雅各布斯·范德瓦尔斯( Jacobus van der Waals)和伊丽莎白·范登伯格(Elisabeth van den Berg)。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，他接受了“高级初等教育”(advanced primary education)，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，顺利考取了成为一名小学老师或班主任的资质。

1862年，他开始在莱顿大学参加数学、物理学和天文学的讲座，尽管他是一个未经录取的正式学生（部分原因是他缺乏古典语言的教育）。然而，莱顿大学有一项规定，允许校外学生一年上四门课。

1863年，荷兰政府创立了一所新中学 (HBS，一所针对高中生的学校)，范德瓦尔斯当时是一所小学的校长，他希望成为一名在HBS教授数学及物理的教师，他花了两年的空闲时间为考试做准备。

1865年，他被聘请为在代芬特尔市的HBS的物理教师，在1866年，他在海牙也获得这样的职位，而海牙离莱顿足够近，于是范德瓦尔斯同时到莱顿大学复课。

1865年9月，在搬家到代芬特尔市之前，他与十八岁的安娜·玛格达琳娜·史密特(Anna Magdalena Smit)结婚。

职业生涯

1864年他被任命为一所在代芬特尔市的中学的教师。

1866年他搬到海牙，先是任职老师而之后成为了中学的主任。而范德瓦尔斯仍然缺乏古典语言的知识，这些知识本来可以使他有权参加考试并作为普通学生进入大学。然而，碰巧的是，大学入学的规则发生了变化：通过教育部长的许可，可以免除古典语言的学习参加资格考试。范德瓦尔斯获得了通过了教育部长的许可，并且通过了物理和数学博士资格考试。

1873年6月14日，在莱顿大学，他的博士论文《论气态与液态之连续性》(Over de Continuiteit van den Gas en Vloeistoftoestand)通过了答辩。在这篇论文中，他介绍了分子体积和分子间作用力的概念，还提出了可同时解释气态和液态的“状态方程”。随后，在荷兰皇家科学院院刊(Proceedings of the Royal Netherlands Academy of Sciences)及Archives Néerlandaises中，许多相关的论文相继发表，并被翻译成其它语言。

1877年9月范德瓦尔斯被任命为新成立的阿姆斯特丹市立大学的第一位物理学教授。他有两个著名的同事——物理化学家雅各布斯·亨里克斯·范托夫(Jacobus Henricus van 't Hoff)和生物学家雨果·德弗里斯(Hugo de Vries)。范德瓦尔斯在70岁退休前一直在阿姆斯特丹大学任教。他的儿子Johannes Diderik van der Waals, Jr.接替了他父亲的职位 ，他同时也是一个理论物理学家。

婚姻家庭

他在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, Jr.)，Johannes Diderik, Jr.于1903年到1908年担任格罗宁根大学的物理教授，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是一个橱柜制造商，在格洛斯特郡学院工艺美术系颇有造诣。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，范德瓦尔斯从未再婚，妻子的去世让他非常震惊，他在之后大约十年内什么都没发表。

范德瓦尔斯的主要休闲是散步（尤其是在乡间），以及阅读。

范德瓦尔斯于1923年3月8日去世于阿姆斯特丹，享年85岁，一年后，他的女儿Jacqueline也不幸离世。

他的孙子克里斯托弗·范德华(Christopher D. Vanderwal)是加州大学欧文分校著名的化学教授。

主要成就

范德瓦尔斯除了获得1910年诺贝尔物理学奖外，还获得了许多荣誉和荣誉。他被授予剑桥大学荣誉博士学位；被授予莫斯科皇家博物学家学会、爱尔兰皇家学院和美国哲学学会荣誉会员，法兰西学院和柏林皇家科学院通讯院士，比利时皇家科学院准会员；伦敦化学学会、美国国家科学院和罗马林奇学会(Accademia dei Lincei of Rome)外籍院士，范德瓦尔斯自1875年以来一直是荷兰皇家科学院院士。从1896年到1912年，他是荷兰皇家科学院的秘书，他还于1912年被选为荷兰化学学会名誉会员。

科研工作

范德瓦尔斯的主要兴趣在热力学。他受到了鲁道夫·克劳修斯1857年的一篇论文的影响，这篇论文的题目是《关于我们称之为热的运动》(Über die Art der Bewegung, welche wir Wärme nennen) 。范德瓦尔斯后来深受詹姆斯·克拉克·麦克斯韦、路德维希·玻尔兹曼和威拉德·吉布斯的著作的影响。克劳修斯的工作促使他寻找托马斯·安德鲁斯实验的一个解释，1869年安德鲁斯揭示了流体中临界温度的存在。范德瓦尔斯在他的1873年的论文中对凝结现象和临界温度现象作了半定量的描述，论文题目是《论气态与液态之连续性》(Over de Continuïteit van den Gas- en Vloeistoftoestand) 。他指出，这两个状态的混合体不仅以一种连续性的方式混合，他们实际上还有着同样的特性。该论文的发表立即使他成为首要的物理学家。这个从范德瓦尔斯第一份论文得出的结论的重要性可以从詹姆斯·克拉克·麦克斯韦在《自然》杂志中的注解得到证明：“毫无疑问地，范德瓦尔斯的名字很快地将会出现于在分子科学的前沿之中” 。

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。范德瓦尔斯在计算他的状态方程式时，假设不仅存在分子（原子的存在当时有争议 ），而且假设它们大小有限，相互吸引。因为他是最早提出分子间力（尽管这种力很基础）的人之一，所以这种力现在有时被称为范德华力。

第二个重大发现发表于1880年，当时他公式化了对应状态定律。这表明范德瓦尔斯方程可以用临界压力、临界体积和临界温度的简单函数这种一般形式适用于所有物质。原始方程中的化合物特定常数a和b被通用（化合物无关）量所代替。正是这条定律在实验中起到了指导作用，后来促成了1898年詹姆斯·杜瓦（James Dewar）的氢液化和1908年海克·卡美林·奥涅斯（Heike Kamerlingh Onnes）的氦液化。

1890年，范德瓦尔斯在Archives Néerlandaises上发表了一篇关于Theory of Binary Solutions的论文。通过将他的状态方程与热力学第二定律（威拉德·吉布斯首先提出的形式）联系起来，他能够得到数学公式的图形表示，即他按吉布斯的叫法称之为Ψ面的形式，他用希腊字母Ψ表示平衡状态下不同阶段的自由能。

还应提到范德瓦尔斯的毛细现象理论，其基本形式最早出现在1893年。与皮埃尔·西蒙·拉普拉斯（Pierre Simon Laplace）早先提供的关于这个问题的力学观点不同，范德瓦尔斯采用了热力学方法，而这在当时是有争议的，因为在阿尔伯特·爱因斯坦对布朗运动的理论解释的佩兰的实验验证之前，分子的存在及其永久的、快速的运动的观点还未被普遍接受。

科学贡献

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：

其中，p、V_m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。