Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Голландский физик и термодинамик (1837–1923)
Dutch physicist and thermodynamicist (1837–1923)
Йоханнес Дидерик ван дер Ваальс (; 23 ноября 1837 – 8 марта 1923) был голландским теоретическим физиком и термодинамиком, известным своей новаторской работой по уравнению состояния газов и жидкостей. Ван дер Ваальс начал свою карьеру в качестве школьного учителя. Он стал первым профессором физики Амстердамского университета, когда в 1877 году старый Афинеум был преобразован в Муниципальный университет. Ван дер Ваальс получил Нобелевскую премию по физике в 1910 году за работу над уравнением состояния газов и жидкостей. Его имя в первую очередь связано с уравнением состояния Ван-дер-Ваальса, которое описывает поведение газов и их конденсацию в жидкую фазу. Его имя также связано с силами Ван-дер-Ваальса (силы между стабильными молекулами), с молекулами Ван-дер-Ваальса (небольшие молекулярные скопления, связанные силами Ван-дер-Ваальса) и с радиусами Ван-дер-Ваальса (размеры молекул). Джеймс Клерк Максвелл однажды сказал: «Нет сомнений, что имя Ван дер Ваальса вскоре будет одним из самых выдающихся в молекулярной науке». В своей диссертации 1873 года Ван дер Ваальс отметил неидеальность реальных газов и связал это с существованием межмолекулярных взаимодействий. Он ввёл первое уравнение состояния, выведенное на основе предположения о конечном объеме, занимаемом составляющими молекулами. Под влиянием Эрнста Маха и Вильгельма Оствальда к концу XIX века возникло сильное философское течение, отрицавшее существование молекул. Существование молекул считалось недоказанным, а молекулярная гипотеза – ненужной. К моменту написания диссертации Ван дер Ваальса (1873) молекулярная структура жидкостей не была принята большинством физиков, и жидкость и пар часто рассматривались как химически различные вещества. Однако работа Ван дер Ваальса подтвердила реальность молекул и позволила оценить их размер и силу притяжения. Его новая формула произвела революцию в изучении уравнений состояния. Сравнивая свое уравнение состояния с экспериментальными данными, Ван дер Ваальс смог получить оценки фактического размера молекул и силы их взаимного притяжения. Влияние работы Ван дер Ваальса на молекулярную физику в XX веке было прямым и фундаментальным. Вводя параметры, характеризующие молекулярный размер и притяжение при построении уравнения состояния, Ван дер Ваальс задал направление современной молекулярной науке. То, что молекулярные аспекты, такие как размер, форма, притяжение и мультипольные взаимодействия, должны лежать в основе математических формулировок термодинамических и транспортных свойств жидкостей, в настоящее время считается аксиомой. С помощью уравнения состояния Ван-дер-Ваальса параметры критических точек газов можно было точно предсказать на основе термодинамических измерений, выполненных при гораздо более высоких температурах. Азот, кислород, водород и гелий впоследствии были сжижены. Хайке Камерлинг Оннес испытал значительное влияние новаторской работы Ван дер Ваальса. В 1908 году Оннес первым получил жидкий гелий, что непосредственно привело к его открытию сверхпроводимости в 1911 году.
Johannes Diderik van der Waals (; 23 November 1837 – 8 March 1923) was a Dutch theoretical physicist and thermodynamicist famous for his pioneering work on the equation of state for gases and liquids. Van der Waals started his career as a schoolteacher. He became the first physics professor of the University of Amsterdam when in 1877 the old Athenaeum was upgraded to Municipal University. Van der Waals won the 1910 Nobel Prize in physics for his work on the equation of state for gases and liquids. His name is primarily associated with the Van der Waals equation of state that describes the behavior of gases and their condensation to the liquid phase. His name is also associated with Van der Waals forces (forces between stable molecules), with Van der Waals molecules (small molecular clusters bound by Van der Waals forces), and with Van der Waals radii (sizes of molecules). James Clerk Maxwell once said that, "there can be no doubt that the name of Van der Waals will soon be among the foremost in molecular science." In his 1873 thesis, Van der Waals noted the non ideality of real gases and attributed it to the existence of intermolecular interactions. He introduced the first equation of state derived by the assumption of a finite volume occupied by the constituent molecules. Spearheaded by Ernst Mach and Wilhelm Ostwald, a strong philosophical current that denied the existence of molecules arose towards the end of the 19th century. The molecular existence was considered unproven and the molecular hypothesis unnecessary. At the time Van der Waals's thesis was written (1873), the molecular structure of fluids had not been accepted by most physicists, and liquid and vapor were often considered as chemically distinct. But Van der Waals's work affirmed the reality of molecules and allowed an assessment of their size and attractive strength. His new formula revolutionized the study of equations of state. By comparing his equation of state with experimental data, Van der Waals was able to obtain estimates for the actual size of molecules and the strength of their mutual attraction. The effect of Van der Waals's work on molecular physics in the 20th century was direct and fundamental. By introducing parameters characterizing molecular size and attraction in constructing his equation of state, Van der Waals set the tone for modern molecular science. That molecular aspects such as size, shape, attraction, and multipolar interactions should form the basis for mathematical formulations of the thermodynamic and transport properties of fluids is presently considered an axiom. With the help of the Van der Waals's equation of state, the critical point parameters of gases could be accurately predicted from thermodynamic measurements made at much higher temperatures. Nitrogen, oxygen, hydrogen, and helium subsequently succumbed to liquefaction. Heike Kamerlingh Onnes was significantly influenced by the pioneering work of Van der Waals. In 1908, Onnes became the first to make liquid helium; this led directly to his 1911 discovery of superconductivity.
Ранние годы и образование
Иоганн Дидерик ван дер Ваальс родился 23 ноября 1837 года в Лейдене, Нидерланды. Он был старшим из десяти детей Якобуса ван дер Ваальса и Элизабет ван ден Берг. Его отец работал плотником в Лейдене. Как было принято для большинства девочек и мальчиков из рабочего класса в XIX веке, он не получил образования в средней школе, необходимого для поступления в университет. Вместо этого он посещал школу «продвинутого начального образования», которую окончил в возрасте пятнадцати лет. После этого он стал учеником учителя в начальной школе. В период с 1856 по 1861 год он прошел необходимые курсы и получил квалификацию учителя начальной школы и директора школы. В 1862 году он начал посещать лекции по математике, физике и астрономии в университете своего родного города, хотя и не соответствовал требованиям для зачисления в качестве постоянного студента, в частности из-за недостаточной подготовки по классическим языкам. Однако в Лейденском университете действовала практика, позволявшая посторонним слушателям посещать до четырех курсов в год. В 1863 году правительство Нидерландов открыло новый тип средней школы (HBS, ориентированная на детей из среднего класса). Ван дер Ваальс, в то время возглавлявший начальную школу, хотел преподавать математику и физику в HBS и два года готовился к необходимым экзаменам в свободное время. В 1865 году он был назначен преподавателем физики в HBS в Девентере, а в 1866 году получил аналогичную должность в Гааге, что было достаточно близко к Лейдену, чтобы он мог продолжить обучение в университете. В сентябре 1865 года, незадолго до переезда в Девентер, Ван дер Ваальс женился на восемнадцатилетней Анне Магдалене Смит.
Johannes Diderik van der Waals was born on 23 November 1837 in Leiden in the Netherlands. He was the eldest of ten children born to Jacobus van der Waals and Elisabeth van den Berg. His father was a carpenter in Leiden. As was usual for all girls and working class boys in the 19th century, he did not go to the kind of secondary school that would have given him the right to enter university. Instead he went to a school of “advanced primary education”, which he finished at the age of fifteen. He then became a teacher's apprentice in an elementary school. Between 1856 and 1861 he followed courses and gained the necessary qualifications to become a primary school teacher and head teacher. In 1862, he began to attend lectures in mathematics, physics and astronomy at the university in his city of birth, although he was not qualified to be enrolled as a regular student in part because of his lack of education in classical languages. However, Leiden University had a provision that enabled outside students to take up to four courses a year. In 1863 the Dutch government started a new kind of secondary school (HBS, a school aiming at the children of the higher middle classes). Van der Waals—at that time head of an elementary school—wanted to become a HBS teacher in mathematics and physics and spent two years studying in his spare time for the required examinations. In 1865, he was appointed as a physics teacher at the HBS in Deventer and in 1866, he received such a position in The Hague, which was close enough to Leiden to allow Van der Waals to resume his courses at the university there. In September 1865, just before moving to Deventer, Van der Waals married the eighteen year old Anna Magdalena Smit.
Профессорское место
Ван дер Ваальсу всё ещё не хватало знаний классических языков, которые позволили бы ему поступить в университет в качестве обычного студента и сдавать экзамены. Однако случилось так, что закон, регулирующий поступление в университет, был изменен, и министр образования получил право освобождать от изучения классических языков. Ван дер Ваальс получил такое освобождение и успешно сдал квалификационные экзамены по физике и математике для поступления в докторантуру. 14 июня 1873 года в Лейденском университете он защитил докторскую диссертацию «О непрерывности газообразного и жидкого состояний» (Over de Continuïteit van den Gas en Vloeistoftoestand) под руководством Питера Рике. В диссертации он ввел понятия молекулярного объема и межмолекулярного притяжения. В сентябре 1877 года Ван дер Ваальс был назначен первым профессором физики в недавно основанном Муниципальном университете Амстердама. Среди его известных коллег были физико-химик Якобс Хенрикус ван ’т Хофф и биолог Гюго де Врис. Ван дер Ваальс оставался в Амстердамском университете до выхода на пенсию в возрасте 70 лет. Его преемником стал его сын Йоханнес Дидерик ван дер Ваальс-младший, также физик-теоретик. В 1910 году, в возрасте 72 лет, Ван дер Ваальс был удостоен Нобелевской премии по физике. Он умер 8 марта 1923 года в возрасте 85 лет.
Van der Waals still lacked the knowledge of the classical languages that would have given him the right to enter university as a regular student and to take examinations. However, it so happened that the law regulating the university entrance was changed and dispensation from the study of classical languages could be given by the minister of education. Van der Waals was given this dispensation and passed the qualification exams in physics and mathematics for doctoral studies. At Leiden University, on June 14, 1873, he defended his doctoral thesis Over de Continuïteit van den Gas en Vloeistoftoestand (on the continuity of the gaseous and liquid state) under Pieter Rijke. In the thesis, he introduced the concepts of molecular volume and molecular attraction. In September 1877, Van der Waals was appointed the first professor of physics at the newly founded Municipal University of Amsterdam. Two of his notable colleagues were the physical chemist Jacobus Henricus van 't Hoff and the biologist Hugo de Vries. Until his retirement at the age of 70, Van der Waals remained at the Amsterdam University. He was succeeded by his son Johannes Diderik van der Waals, Jr., who also was a theoretical physicist. In 1910, at the age of 72, Van der Waals was awarded the Nobel Prize in physics. He died at the age of 85 on March 8, 1923.
Научная работа
Основным интересом Ван дер Ваальса была термодинамика. Он испытал влияние трактата Рудольфа Клаузиуса 1857 года под названием Über die Art der Bewegung, welche wir Wärme nennen (О виде движения, которое мы называем теплом). Позднее Ван дер Ваальс сильно подвергся влиянию трудов Джеймса Клерка Максвелла, Людвига Больцмана и Вилларда Гиббса. Работа Клаузиуса подтолкнула его к поиску объяснения экспериментам Томаса Эндрюса, которые в 1869 году выявили существование критических температур в жидкостях. Ему удалось дать полуколичественное описание явлений конденсации и критических температур в своей диссертации 1873 года под названием Over de Continuïteit van den Gas en Vloeistoftoestand (О непрерывности газового и жидкого состояния). Эта диссертация стала вехой в физике и сразу же была признана таковой, например, Джеймсом Клерком Максвеллом, который дал ей восторженный отзыв в журнале Nature. В этой диссертации он вывел уравнение состояния, носящее его имя. Эта работа предложила модель, в которой жидкая и газовая фазы вещества плавно переходят одна в другую. Она показала, что обе фазы имеют одинаковую природу. При выводе своего уравнения состояния Ван дер Ваальс исходил не только из существования молекул (существование атомов в то время оспаривалось), но и из того, что они имеют конечный размер и притягиваются друг к другу. Поскольку он был одним из первых, кто постулировал межмолекулярную силу, пусть даже в зачаточной форме, такую силу иногда называют силой Ван-дер-Ваальса. Вторым важным открытием стал закон соответствующих состояний 1880 года, который показал, что уравнение состояния Ван дер Ваальса может быть выражено как простая функция критического давления, критического объема и критической температуры. Эта общая форма применима ко всем веществам (см. уравнение Ван-дер-Ваальса). Специфические константы a и b в исходном уравнении заменяются универсальными (не зависящими от вещества) величинами. Именно этот закон служил ориентиром в экспериментах, которые в конечном итоге привели к сжижению водорода Джеймсом Дьюэром в 1898 году и гелия Хейке Камерлинг-Оннесом в 1908 году. В 1890 году Ван дер Ваальс опубликовал трактат о теории бинарных растворов в Нидерландских архивах. Установив связь между своим уравнением состояния и Вторым законом термодинамики в форме, впервые предложенной Виллардом Гиббсом, он смог представить свои математические формулы в графическом виде в форме поверхности, которую он назвал Ψ (пси)-поверхностью, следуя Гиббсу, который использовал греческую букву Ψ для обозначения свободной энергии системы с различными фазами в равновесии. Следует также упомянуть теорию капиллярности Ван дер Ваальса, которая в своей базовой форме впервые появилась в 1893 году. В отличие от механического подхода к этой проблеме, предложенного ранее Пьером Симоном Лапласом, Ван дер Ваальс использовал термодинамический подход. Это было спорно в то время, поскольку существование молекул и их непрерывное, быстрое движение не были общеприняты до тех пор, пока Жан Батист Перрен экспериментально не подтвердил теоретическое объяснение броуновского движения, предложенное Альбертом Эйнштейном.
The main interest of Van der Waals was in the field of thermodynamics. He was influenced by Rudolf Clausius's 1857 treatise entitled Über die Art der Bewegung, welche wir Wärme nennen (On the Kind of Motion which we Call Heat). Van der Waals was later greatly influenced by the writings of James Clerk Maxwell, Ludwig Boltzmann, and Willard Gibbs. Clausius's work led him to look for an explanation of Thomas Andrews's experiments that had revealed, in 1869, the existence of critical temperatures in fluids. He managed to give a semi quantitative description of the phenomena of condensation and critical temperatures in his 1873 thesis, entitled Over de Continuïteit van den Gas en Vloeistoftoestand (On the continuity of the gas and liquid state). This dissertation represented a hallmark in physics and was immediately recognized as such, e. g. by James Clerk Maxwell who reviewed it in Nature in a laudatory manner. In this thesis he derived the equation of state bearing his name. This work gave a model in which the liquid and the gas phase of a substance merge into each other in a continuous manner. It shows that the two phases are of the same nature. In deriving his equation of state Van der Waals assumed not only the existence of molecules (the existence of atoms was disputed at the time), but also that they are of finite size and attract each other. Since he was one of the first to postulate an intermolecular force, however rudimentary, such a force is now sometimes called a Van der Waals force. A second major discovery was the 1880 the Law of Corresponding States, which showed that the Van der Waals equation of state can be expressed as a simple function of the critical pressure, critical volume, and critical temperature. This general form is applicable to all substances (see Van der Waals equation.) The compound specific constants a and b in the original equation are replaced by universal (compound independent) quantities. It was this law which served as a guide during experiments which ultimately led to the liquefaction of hydrogen by James Dewar in 1898 and of helium by Heike Kamerlingh Onnes in 1908. In 1890, Van der Waals published a treatise on the Theory of Binary Solutions in the Archives Néerlandaises. By relating his equation of state with the Second Law of Thermodynamics, in the form first proposed by Willard Gibbs, he was able to arrive at a graphical representation of his mathematical formulations in the form of a surface which he called Ψ (Psi) surface following Gibbs, who used the Greek letter Ψ for the free energy of a system with different phases in equilibrium. Mention should also be made of Van der Waals's theory of capillarity, which in its basic form first appeared in 1893. In contrast to the mechanical perspective on the subject provided earlier by Pierre Simon Laplace, Van der Waals took a thermodynamic approach. This was controversial at the time, since the existence of molecules and their permanent, rapid motion were not universally accepted before Jean Baptiste Perrin's experimental verification of Albert Einstein's theoretical explanation of Brownian motion.
Личная жизнь
В 1865 году он женился на Анне Магдалине Смит, и у них было три дочери (Анна Мадлен, Жаклин Э. ван дер Ваальс, Йоханна Дидерика) и один сын, физик Йоханнес Дидерик ван дер Ваальс-младший, который также работал в Амстердамском университете. Жаклин была известной поэтессой. Племянник Ван дер Ваальса, Питер ван дер Ваальс, был краснодеревщиком и видной фигурой в школе искусств и ремесел Саппертона в Глостершире. Его жена умерла от туберкулеза в возрасте 34 лет в 1881 году. Оставшись вдовцом, Ван дер Ваальс больше не женился и был настолько потрясен смертью жены, что не публиковал ничего около десяти лет. Он умер в Амстердаме 8 марта 1923 года, через год после смерти дочери Жаклин.
He married his wife Anna Magdalena Smit in 1865, and the couple had three daughters (Anne Madeleine, Jacqueline E. van der Waals [nl], Johanna Diderica) and one son, the physicist Johannes Diderik van der Waals, Jr. [nl], who also worked at the University of Amsterdam. Jacqueline was a poet of some note. Van der Waals's nephew Peter van der Waals was a cabinet maker and a leading figure in the Sapperton, Gloucestershire school of the Arts and Crafts movement. His wife died of tuberculosis at 34 years old in 1881. After becoming a widower Van der Waals never remarried and was so shaken by the death of his wife that he did not publish anything for about a decade. He died in Amsterdam on March 8, 1923, one year after his daughter Jacqueline had died.
Почести
Ван дер Ваальс получил многочисленные награды и отличия, помимо присуждения ему Нобелевской премии по физике в 1910 году. Ему была присвоена степень почётного доктора Кембриджского университета; он был избран почётным членом Императорского общества естествоиспытателей Москвы, Королевской ирландской академии и Американского философского общества (1916); членом-корреспондентом Института Франции и Королевской академии наук Берлина; действительным членом Королевской академии наук Бельгии; и иностранным членом Химического общества Лондона, Национальной академии наук США (1913) и Академии Линчеи в Риме. Ван дер Ваальс стал членом Королевской нидерландской академии искусств и наук в 1875 году. С 1896 по 1912 год он был секретарём этого общества. Кроме того, в 1912 году он был избран почётным членом Нидерландского химического общества. Малая планета 32893 ван дер Ваальс названа в его честь.
Van der Waals received numerous honors and distinctions, besides winning the 1910 Nobel Prize in Physics. He was awarded an honorary doctorate of the University of Cambridge; was made Honorary Member of the Imperial Society of Naturalists of Moscow, the Royal Irish Academy, and the American Philosophical Society (1916); Corresponding Member of the Institut de France and the Royal Academy of Sciences of Berlin; Associate Member of the Royal Academy of Sciences of Belgium; and Foreign Member of the Chemical Society of London, the National Academy of Sciences of the United States (1913), and of the Accademia dei Lincei of Rome. Van der Waals became a member of the Royal Netherlands Academy of Arts and Sciences in 1875. From 1896 until 1912, he was secretary of this society. He was furthermore elected as Honorary Member of the Netherlands Chemical Society in 1912. Minor planet 32893 van der Waals is named in his honor.