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Lennard-Jones-Potenzial

1924
  • John Lennard-Jones
Laborszene mit einem Wissenschaftler, der Molekulardynamiksimulationen mit dem Lennard-Jones-Potenzial durchführt.

(Abbildung dient nur zur Veranschaulichung)

Ein einfaches, weit verbreitetes mathematisches Modell, das die potenzielle Wechselwirkungsenergie zwischen zwei neutralen Atomen oder Molekülen approximiert. Es kombiniert einen langreichweitigen Anziehungsterm ([latex]propto r^{-6}[/latex]), der die Wechselwirkungsenergie zwischen zwei neutralen Atomen oder Molekülen repräsentiert. Van der Waals Kräfte mit einem steilen, kurzreichweitigen Abstoßungsterm ([latex]propto r^{-12}[/latex]), der die Pauli-Abstoßung darstellt. Die Formel lautet [latex]V_{LJ}(r) = 4epsilon [(frac{sigma}{r})^{12} – (frac{sigma}{r})^6][/latex].

The Lennard-Jones potential is a cornerstone of computational physics and chemistry due to its simplicity and effectiveness in capturing the essential physics of atomic interactions. The potential describes two main features. The attractive part, [latex]-(\frac{\sigma}{r})^6[/latex], models the London dispersion force, which dominates at medium to long ranges. The [latex]r^{-6}[/latex] dependence is theoretically justified for the interaction between two induced dipoles. The repulsive part, [latex]+(\frac{\sigma}{r})^{12}[/latex], models the strong repulsion that occurs when two atoms get very close and their electron clouds begin to overlap. This repulsion is a consequence of the Pauli exclusion principle. The [latex]r^{-12}[/latex] form was chosen primarily for computational convenience (as the square of the [latex]r^{-6}[/latex] term), though it provides a reasonable approximation of the steep repulsive wall.

Die beiden Parameter des Modells haben klare physikalische Bedeutungen: ε (Epsilon) ist die Tiefe des Potentialtopfs und repräsentiert die Stärke der Anziehung, während σ (Sigma) der Abstand ist, bei dem die potenzielle Energie null ist und somit den effektiven Durchmesser des Atoms darstellt. Obwohl es sich um eine Näherung handelt, ist das Lennard-Jones-Potential bemerkenswert erfolgreich bei der Vorhersage der Eigenschaften einfacher, unpolarer Substanzen und dient als grundlegender Baustein für komplexere Kraftfelder zur Simulation von Proteinen, Polymeren und anderen Materialien.

UNESCO Nomenclature: 2202
Atom- und Molekularphysik

Typ

Mathematisches Modell

Störung

Grundlegendes

Verwendung

Weitverbreitete Verwendung

Vorläufer

  • Theories of Van der Waals forces (Keesom, Debye, London)
  • Das Pauli-Prinzip aus der Quantenmechanik
  • Das Mie-Potenzial, eine allgemeinere Form des interatomaren Potenzials
  • Frühe Arbeiten zu Zustandsgleichungen für reale Gase

Anwendungen

  • Molekulardynamik- (MD) und Monte-Carlo-Simulationen (MC) von einfachen Flüssigkeiten, Feststoffen und Gasen
  • Computerchemie und Materialwissenschaften zur Entwicklung von Kraftfeldern
  • modeling thermodynamic properties and phase diagrams of substances like argon
  • Bereitstellung eines grundlegenden Modells für interatomare Kräfte im Physikunterricht

Patente:

NA

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Verwandt mit: Lennard-Jones-Potential, Molekulardynamik, potenzielle Energie, intermolekulare Kraft, Pauli-Abstoßung, Van-der-Waals-Kräfte, Computerchemie, Simulation, Kraftfeld, Argon.

Historischer Kontext

Lennard-Jones-Potenzial

1920
1921
1922
1924
1925
1926
1926
1920
1920
1921
1924
1924
1925
1926
1927

(wenn das Datum unbekannt oder nicht relevant ist, z. B. „Strömungsmechanik“, wird eine gerundete Schätzung seines bemerkenswerten Auftretens bereitgestellt)

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