ヨハネス・ディデリク・ファン・デル・ワールス

ヨハネス・ディデリク・ファン・デル・ワールス
1910年のファンデルワールス
生まれる	( 1837-11-23 )1837年11月23日 ライデン、オランダ
死亡	1923年3月8日(1923-03-08)（85歳） アムステルダム、オランダ
母校	ライデン大学
知られている	現代分子物理学（分子理論）の基礎を築く分子間力 の現代理論の起源対応状態の法則 実在気体の法則ファンデルワールス力ファンデルワールス状態方程式ファンデルワールス半径ファンデルワールス面ファンデルワールス分子
親族	ジョアン・ファン・デル・ワールス(いとこ、二度連れ去られた) [1]
受賞歴	ノーベル物理学賞(1910)
科学者としてのキャリア
フィールド	理論物理学、熱力学
機関	アムステルダム大学
博士課程の指導教員	ピーター・ライケ
博士課程の学生	ディーデリク・コルテウェグ ウィレム ・ヘンドリック・キーサム

ヨハネス・ディデリク・ファン・デル・ワールス(オランダ語の発音: [joːˈɦɑnəz ˈdidərɪk fɑn dər ˈʋaːls]) ^ⓘ ;^{[注 1]}1837年11月23日 - 1923年3月8日）は、オランダの理論物理学者、熱力学者状態方程式に関する先駆的な研究で有名である。ファンデルワールスは、学校教師としてキャリアをスタートした。アムステルダム大学物理学教授気体と液体の状態方程式に関する研究により、1910年にノーベル物理学賞を^[2]

彼の名前は、主に、気体の挙動と液相への凝縮を説明するファンデルワールスの状態方程式と結び付けられています。彼の名前はまた、ファンデルワールス力（安定した分子間の力）^{[3] 、}ファンデルワールス分子（ファンデルワールス力によって結合された小さな分子クラスター）、およびファンデルワールス半径（分子のサイズ）とも結び付けられています。ジェームズ・クラーク・マクスウェルはかつて、「ファンデルワールスの名前がす​​ぐに分子科学の第一人者になることは間違いない」と述べました。^[4]

1873年の学位論文で、ファンデルワールスは実在する気体の非理想性に注目し、それを分子間相互作用の存在に帰した。彼は構成分子が占める有限の体積という仮定によって導かれた最初の状態方程式を導入した。 ^[5]エルンスト・マッハとヴィルヘルム・オストワルドが先頭に立って、19世紀末にかけて分子の存在を否定する強い哲学的潮流が起こった。分子の存在は証明されていないと考えられ、分子仮説は不要であった。ファンデルワールスの学位論文が書かれた当時（1873年）、流体の分子構造はほとんどの物理学者に受け入れられておらず、液体と蒸気は化学的に異なるものと考えられていた。しかし、ファンデルワールスの研究は分子の実在性を肯定し、その大きさと引力の評価を可能にした。彼の新しい式は状態方程式の研究に革命をもたらした。ファンデルワールス力は状態方程式を実験データと比較することで、分子の実際の大きさと分子間の引力の強さを推定することができました。^[6]

20世紀の分子物理学に対するファンデルワールスの研究の影響は直接的かつ根本的なものであった。 ^[7]ファンデルワールスは状態方程式の構築に分子の大きさと引力を特徴付けるパラメータを導入することで、現代の分子科学の方向性を定めた。分子の大きさ、形状、引力、多極相互作用などの側面が、流体の熱力学的および輸送特性の数学的定式化の基礎をなすべきであることは、現在では公理とみなされている。^[8]ファンデルワールスの状態方程式の助けを借りて、気体の臨界点パラメータは、はるかに高い温度で行われた熱力学的測定から正確に予測できるようになった。その後、窒素、酸素、水素、ヘリウムが液化に屈した。ヘイケ・カメルリング・オンネスは、ファンデルワールスの先駆的な研究に大きく影響を受けた。1908年、オンネスは初めて液体ヘリウムを作り、これが1911年の超伝導の発見に直接つながった。^[9]

ヨハネス・ディデリック・ファン・デル・ワールスは、1837年11月23日、オランダのライデンで生まれました。彼は、ヤコブス・ファン・デル・ワールスとエリザベス・ファン・デン・ベルグの10人兄弟の長男でした。彼の父親はライデンで大工をしていました。19世紀のすべての少女と労働者階級の少年がそうであったように、彼は大学に入学する権利を与えてくれるような中等学校には進学しませんでした。代わりに彼は「上級初等教育」の学校に通い、15歳でそれを卒業しました。その後、彼は小学校で教師見習いになりました。1856年から1861年の間に彼はコースを受講し、小学校教師と校長になるために必要な資格を取得しました。

1862年、彼は生まれた街の大学で数学、物理学、天文学の講義に出席し始めたが、古典語の教育を受けていなかったこともあり、正規の学生として入学する資格がなかった。^[10]しかし、ライデン大学には、学外の学生が年間4つまでコースを受講できる規定があった。1863年、オランダ政府は新しい種類の中等学校（HBS、上流中産階級の子供を対象とした学校）を開校した。当時小学校長だったファンデルワールスは、HBSの数学と物理学の教師になりたいと考え、必要な試験のために2年間余暇に勉強した。

1865年、彼はデーフェンターのハーバード・ビジネス大学の物理学教師に任命され、1866年にはハーグでも同様の職を得た。ハーグはライデンに十分近かったため、ファンデルワールスは同地の大学で講義を再開することができた。1865年9月、デーフェンターに移る直前に、ファンデルワールスは18歳のアンナ・マグダレーナ・スミットと結婚した。

ファンデルワールスには、大学に正規の学生として入学し、試験を受ける資格を得るのに必要な古典語の知識がまだありませんでした。しかし、大学入学を規制する法律が改正され、文部大臣が古典語の勉強を免除できるようになりました。ファンデルワールスはこの免除を受け、物理学と数学の博士課程の資格試験に合格しました。

1873年6月14日、ライデン大学でピーテル・ライケの指導の下、博士論文「気体と液体の状態の連続性について」を審査した。この論文で、彼は分子容と分子引力の概念を導入した。^[11]

1877 年 9 月、ファンデルワールスは新設されたアムステルダム市立大学の初代物理学教授に任命されました。彼の著名な同僚には、物理​​化学者のヤコブス・ヘンリクス・ファントホフと生物学者のフーゴ・デ・フリースがいました。ファンデルワールスは 70 歳で退職するまでアムステルダム大学に留まりました。彼の後を継いだのは、やはり理論物理学者であった息子のヨハネス・ディデリク・ファンデルワールス・ジュニアでした。1910 年、72 歳でファンデルワールスはノーベル物理学賞を受賞しました。彼は 1923 年 3 月 8 日に 85 歳で亡くなりました。

ファンデルワールスの主な関心は熱力学の分野にあった。彼はルドルフ・クラウジウスの1857年の論文「熱と呼べる運動の種類について」に影響を受けた。^{[12] [13]ファンデルワールスは後に}ジェームズ・クラーク・マクスウェル、ルートヴィヒ・ボルツマン、ウィラード・ギブスの著作に多大な影響を受けた。クラウジウスの研究は、1869年に流体の臨界温度の存在を明らかにしたトーマス・アンドリュースの実験の説明を求めることに繋がった。^[14]彼は1873年の論文「気体と液体の状態の連続性について」で、凝縮と臨界温度の現象を半定量的に記述することに成功した。 ^{[15]この論文は物理学における傑作であり、例えば}ジェームズ・クラーク・マクスウェルはネイチャー誌^{[16]で賞賛の意を込めて}論文を批評するなど、すぐにそのように認識された。

この論文で、彼は自分の名を冠した状態方程式を導きました。この研究は、物質の液体と気体の相が連続的に互いに融合するモデルを示しました。これは、2つの相が同じ性質であることを示しています。状態方程式を導き出すにあたり、ファンデルワールスは分子の存在（当時は原子の存在は議論されていました^[17]）だけでなく、分子は有限の大きさで互いに引き合うことも仮定しました。彼は分子間の力を仮定した最初の一人であったため、それがいかに初歩的なものであったとしても、現在ではそのような力はファンデルワールス力と呼ばれることがあります。

2 つ目の大きな発見は、1880 年の対応状態の法則で、ファンデルワールス状態方程式が臨界圧力、臨界容積、臨界温度の単純な関数として表せることを示しました。この一般的な形式は、すべての物質に適用できます (ファンデルワールス方程式を参照)。元の式の化合物固有の定数aとb は、普遍的な (化合物に依存しない) 量に置き換えられました。この法則は、最終的に1898 年にジェームズ デュワーによる水素の液化、1908 年にハイケ カメルリング オネスによるヘリウムの液化につながった実験の指針となりました。

1890 年、ファンデルワールスは、ネールランド文書館で二成分溶液の理論に関する論文を発表しました。ウィラード ギブスが最初に提案した形で、ファンデルワールスは状態方程式を熱力学の第二法則と関連付けることで、数学的定式化を表面の形でグラフィカルに表現することができました。ギブスは、平衡状態にある異なる相を持つシステムの 自由エネルギーにギリシャ文字の Ψ を使用しました。ファンデルワールスは、ギブスに倣って、この表面を Ψ (プサイ) 表面と名付けました。

ファンデルワールスの毛細管現象の理論についても言及する必要がある。この理論の基本的な形は1893年に初めて登場した。^[18]ピエール＝シモン・ラプラスが以前にこのテーマについて示した力学的な観点とは対照的に、^{[19]ファンデルワールスは熱力学的なアプローチをとった。これは当時物議を醸した。なぜなら、}ジャン・バティスト・ペランがアルバート・アインシュタインのブラウン運動の理論的説明を実験的に検証するまでは、分子の存在とその永続的で急速な運動は広く受け入れられていなかったからである。

1865年に妻のアンナ・マグダレーナ・スミットと結婚し、3人の娘（アン・マドレーヌ、ジャクリーヌ・E・ファンデルワールス [nl]、ヨハンナ・ディデリカ）と1人の息子（物理学者のヨハネス・ディデリク・ファンデルワールス・ジュニア [nl] ）をもうけた。息子もアムステルダム大学で働いていた。ジャクリーヌは著名な詩人であった。甥のピーター・ファンデルワールスは家具職人で、グロスターシャー州サッパートンのアーツ・アンド・クラフツ運動の指導的人物であった。彼の妻は1881年に34歳で結核で亡くなった。未亡人となった後、ファンデルワールスは再婚せず、妻の死に非常にショックを受けて約10年間何も出版しなかった。彼は娘ジャクリーヌの死から1年後の1923年3月8日に アムステルダムで亡くなった。

ファンデルワールスは、1910年のノーベル物理学賞受賞以外にも、数多くの栄誉と栄誉を受けた。ケンブリッジ大学から名誉博士号を授与され、モスクワ帝国博物学会、アイルランド王立アカデミー、アメリカ哲学協会（1916年）の名誉会員となった。^[20]フランス研究所とベルリン王立科学アカデミーの通信会員、ベルギー王立科学アカデミーの準会員、ロンドン化学会、米国科学アカデミー（1913年）の外国人会員、^{[21]ローマの}リンチェイアカデミーの外国人会員でもあった。ファンデルワールスは、1875年にオランダ王立芸術科学アカデミーの会員となった。^[22] 1896年から1912年まで、同協会の幹事を務めた。さらに1912年にはオランダ化学会の名誉会員に選出された。^[23]

小惑星32893 ファンデルワールスは、彼にちなんで名付けられました。^[24]

ファンデルワールスの名前が分子科学の第一人者となることは間違いないだろう。

— ジェームズ・クラーク・マクスウェルのネイチャー誌（1873年）での発言。 ^[4]

これまでの研究で、分子が実際に存在することを私は確信していたことは明らかです。分子を想像上の産物、あるいは単なる力の作用の中心とさえみなしたことは一度もありません。分子は実際の物体であると考えていました。したがって、日常会話で「物体」と呼ぶものは、「疑似物体」と呼ぶほうが適切です。それは物体と空の空間の集合体です。単一の化学原子からなる分子の性質はわかりません。この疑問に答えようとするのは時期尚早ですが、この無知を認めても、分子が実際に存在するという信念が損なわれることはありません。研究を始めたとき、私は、そのような見解を持っているのはほぼ自分だけだと感じていました。そして、1873 年の論文で既にあったように、1 グラムモルあたりの分子の数、大きさ、作用の性質を決定したとき、私の意見は強まりましたが、それでも、分子は最終的に想像上の産物であり、分子理論全体もそうであるかどうかという疑問が私の中にしばしば生じました。そして今や、分子の実在は物理学者の間で広く想定されていると言っても過言ではないと思います。最も反対していた人たちの多くが最終的に説得され、私の理論が一因となったのかもしれません。そして、まさにこれが前進だと私は感じています。ボルツマンとウィラード・ギブスの著作を知っている人なら誰でも、権威ある物理学者たちが熱理論の複雑な現象はこのようにしか解釈できないと信じていることを認めるでしょう。ますます多くの若い物理学者が分子理論の研究と考察に仕事のインスピレーションを見いだしていることは、私にとって大きな喜びです...

— ヨハネス・D・ファンデルワールスのノーベル賞講演「気体と液体の状態方程式」（1910年12月12日）のメモ。

• ファンデルワールス方程式
• ファンデルワールス力
• ファンデルワールス半径
• ファンデルワールス力
• レドリッヒ・クォン状態方程式
• ペン・ロビンソン状態方程式

• Kipnis, A. Ya.; Yavelov, BE; Rowlinson, JS (訳): Van der Waals and Molecular Science . (Oxford: Clarendon Press, 1996) ISBN 0-19-855210-6 
• Sengers、Johanna Levelt:流体の混ざり方: ファン デル ワールス大学とカメルリング オンネスの発見。 (アムステルダム: Koninklijke Nerlandse Academy van Wetenschappen、2002)
• シャクトマン、トム：絶対零度と寒さの克服（ボストン：ホートン・ミフリン、1999年）
• ヴァン・デルフト、ダーク:凍結物理学: ヘイケ・カメルリング・オンネスと冷気の探求。 (アムステルダム: Koninklijke Nerlandse Academy van Wetenschappen、2008)
• ファンデルワールス、JD: 編集および序文。JS ローリンソン:液体と気体の連続性について。(ニューヨーク: Dover Publications、2004 年、320 ページ)

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ウィキソースには、ヨハネス・ディデリク・ファン・デル・ワールスによる、またはヨハネス・ディデリク・ファン・デル・ワールスに関するオリジナル作品があります。

• オランダのファンデルワールス学派の科学者、オランダ王立芸術科学アカデミー
• アルバート・ファン・ヘルデン ヨハネス・ディデリク・ファン・デル・ワールス 1837 – 1923 著書：K. van Berkel、A. van Helden、L. Palm 編、『オランダ科学史』。調査、テーマ、参考資料 (ライデン: ブリル、1999) 596 – 598。
• ヨハネス・ディデリック・ファン・デル・ワールス、Nobelprize.org1910年12月12日のノーベル賞受賞講演を含む気体と液体の状態方程式
• ボーアハーベ博物館「Negen Nederlandse Nobelprijswinnaars」(PDF)。 2011 年 6 月 7 日のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 (2.32  MiB )
• HAM Snelders、Waals Sr.、Johannes Diderik van der (1837–1923)、『Biografisch Woordenboek van Nederland』。
• オランダ国立図書館所蔵のヨハネス・ディデリク・ファン・デル・ワールス（1837-1923）の伝記。