כוחות ואן דר ואלס הם כוחות חלשים הפועלים בין אטומים או מולקולות. מקורם הוא האינטראקציה האלקטרומגנטית בין המטענים שבתוך המולקולות. באופן כללי מדובר באינטראקציות בין דיפולים, מצבים שבהם יש הפרדת מטענים חשמליים קלה בתוך מולקולה. כדי לנסח את הכוחות האלה דרושה פיזיקה קוונטית כדי לחשב את המקדמים המדויקים. השם נלקח מהמדען יוהאנס דידריק ואן דר ואלס.
הכוחות מתחלקים לשלוש קטגוריות עיקריות:
# כוחות קיסום (Kessome): פועלים בין מולקולות עם דיפול קבוע. דיפול קבוע הוא הפרדת מטענים שאינה משתנה במהירות.
# כוחות דבאיי (Debye): פועלים בין מולקולה עם דיפול קבוע ובין מולקולה שנוצרת בה דיפול עקב שדה חיצוני. את ההשראה הזו מתארת הפרמטר פולאריזביליות, היכולת של מולקולה ליצור דיפול בתגובה לשדה.
# כוחות לונדון (London): נובעים מדיפולים רגעיים (דיפולים שנוצרים עקב התנועה הרגעית של האלקטרונים). כוחות לונדון קיימים תמיד והם בדרך כלל הדומיננטיים ברוב המערכות.
הבסיס הפיזיקלי של שלושת הסוגים הוא דיפול מולקולרי או השראת דיפול. הכוחות קיסום ודבאיי נתפסים כאלקטרוסטטיים פשוטים, בעוד שכוחות לונדון הם תוצאה של אלקטרודינמיקה קוונטית ופלקטואציות של ענן האלקטרונים. הדיפול הרגעי נוצר כי האלקטרונים סביב הגרעין לא נמצאים תמיד בהתפלגות שווה; מפלגות זמניות יוצרות דיפול שמשרה דיפול במולקולה סמוכה ויוצרת משיכה רגעית.
הסבר כללי על המידה: הכוח בין מולקולות יורד במהירות כשמרחקן גדל. ברוב המודלים הבסיסיים האנרגיה המשיכה משתנה בצורה חדה עם המרחק, כך שמרחק גדול מקטין את ההשפעה באופן משמעותי. בנוסף, עוצמת הכוח מושפעת מפולריזביליות המולקולות ומהאופי של הדיפול בהן.
כוחות לונדון מוסבירים באופן קוונטי. דוגמה פשוטה היא המערכת של שני אטומי מימן: התיקון הראשון לאנרגיה אפס בגלל סימטריה, והתיקון השני בתורת ההפרעות מניב אנרגיה שלילית פרופורציונית ל-R בחזקת שש. המשמעות היא משיכה יחסית חלשה שתלויה בחשיבות של פולאריזציה ואנרגיות יוניזציה.
כוחות דבאיי ניתן להסביר באלקטרוסטטיקה פשוטה ושילוב מכניקה סטטיסטית. השדה של דיפול קבוע גורם לדיפול מושרה במולקולה סמוכה. אחרי חישוב וזיווג ממוצעים בזוויות מקבלים אנרגיה שנפלה גם היא במהירות דומה עם המרחק (אותה תלות חזקה בירידה עם מרחק).
כוחות קיסום מקבלים טיפול דרך מכניקה סטטיסטית. דיפולים קבועים מתממשים לאוריינטציות שונות בגלל פלuktuציות תרמיות. ממוצע זוויתי של האינטראקציה נותן גם כאן תלות דומה במרחק ובחומרי המערכת. בקירובים המתאימים מתקבלת קירובה שמקשרת בין שלושת הסוגים.
בכל שלושת המודלים קיימות הנחות חשובות: דיפולים נקודתיים, מרחק גדול ביחס לגודל המולקולות, ושיווי משקל תרמי או טמפרטורות שאינן אפס מוחלט. בטווחים קצרים נכנסים לכוח גם רכיבי דחייה חזקים; מודל מקובל שמציין זאת הוא פוטנציאל לנארד-ג'ונס, שמשלב משיכה וחסם דחייה לטווחים קצרים.
כאשר בוחנים גופים מאקרוסקופיים, מקבלים את קבוע האמקר (Hamaker) שמקשר בין אי-ספיקת סכום תרומתי של מולקולות לבין האנרגיה הכוללת. תורת ליפשיץ ומקלכלן משלבות קוונטום ומכניקה סטטיסטית. הן מתחשבות בתכונות הדיאלקטריות של החומרים ובאפקטי איחור (retardation) שנובעים מהמהירות הסופית של שדות אלקטרומגנטיים. האיחור משנה את התלות במרחק בעבור כוחות לונדון בטווחים של עשרות ננומטרים ויותר, והופך את ההתנהגות החלשות במרחק רב באופן שמזיז את החזקה לכיוון שונה.
ליפשיץ פתר את בעיית חוסר האדיטיביות (היעדר סכימת תוספות פשוטה) באמצעות שימוש בשדות קוונטיים. התוצאות תלויות בפונקציות הדיאלקטריות של החומרים ובטמפרטורה. עבור חומרים ותווכים מסוימים קבוע האמקר יכול לצאת שלילי, ופוטנציאל ואן דר ואלס יכול להיות דחייתי במקום מושך.
כוחות ואן דר ואלס אחראים לתופעות רבות בחיי היום-יום ובטכנולוגיה. הם תורמים להדבקה קלה בין משטחים, להגבנת חלב, ולתכונות כמו היכולת של חרקים ללכת על מים. קיימת מחלוקת מדעית על מידת תרומתם לטיפוס של סממיות על קירות. ניסויי מאוחרים הציעו גם שיטות הנדסיות המדמות טיפוס על קירות בעזרת טכנולוגיות מתקדמות, אך זה עדיין בתחום המחקר.
כוחות ואן דר ואלס הם משיכה חלשה בין מולקולות. מולקולה היא קבוצת אטומים שמחוברת יחד. דיפול הוא הפרדה קטנה של מטענים בתוך מולקולה. דיפול מושרה הוא דיפול שנוצר בגלל שדה חיצוני. דיפול רגעי הוא הפרדה קטנה שמתחוללת במשך רגע.
יש שלושה סוגים עיקריים:
# כוחות קיסום: בין מולקולות עם דיפול קבוע. דיפול קבוע הוא הפרדה יציבה של מטענים.
# כוחות דבאיי: בין דיפול קבוע ובין מולקולה שמייצרת דיפול בתגובה.
# כוחות לונדון: בין דיפולים רגעיים ודיפולים מושרים. הם קיימים תמיד.
כל הכוחות האלה בדרך כלל משיכה. הם חלשים וכאשר המולקולות מתרחקות, הכוח קטן מאוד. בטווחים קצרים יש גם דחייה שמונעת מהאטומים להתמזג. מודל שמחבר משיכה ודחייה נקרא פוטנציאל לנארד-ג'ונס.
כוחות לונדון מוסברים בעזרת רעיון שקורה בגלל תנועת האלקטרונים. בתרגול של שני אטומים מרוחקים מקבלים משיכה חלשה. כוחות דבאיי ניתן לחשב באלקטרוסטטיקה פשוטה וחישוב ממוצע של זוויות. כוחות קיסום מתקבלים מחישוב ממוצע של כיווני הדיפולים בגלל חום.
כוחות אלה חשובים בפתרונות יום-יומיים. הם עוזרים לחלב להפוך לגבינה. חוקרים דנים האם הם מאפשרים לסממיות לטפס על קירות. גם בתעשייה ובמחקר משתמשים בכוחות אלה בתכנון חומרים קטנים.
יש מחקר על טיפוס על קירות שנחקק על ידי מכשירים מיוחדים. זה עדיין בפיתוח.
תגובות גולשים