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Lennard-Jones Potential

1924
  • John Lennard-Jones
Laboratory scene with scientist performing molecular dynamics simulations using Lennard-Jones potential.

A simple, widely used mathematical model that approximates the potential energy of interaction between two neutral atoms or molecules. It combines a long-range attractive term ([latex]\propto r^{-6}[/latex]) representing Van der Waals forces with a steep, short-range repulsive term ([latex]\propto r^{-12}[/latex]) representing Pauli repulsion. The formula is [latex]V_{LJ}(r) = 4\epsilon [(\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.

The two parameters in the model have clear physical meanings: [latex]\epsilon[/latex] (epsilon) is the depth of the potential well, representing the strength of the attraction, and [latex]\sigma[/latex] (sigma) is the distance at which the potential energy is zero, representing the effective diameter of the atom. Despite being an approximation, the Lennard-Jones potential is remarkably successful at predicting the properties of simple, nonpolar substances and serves as a fundamental building block for more complex force fields used to simulate proteins, polymers, and other materials.

UNESCO Nomenclature: 2202
– Atomic and molecular physics

Typ

Mathematisches Modell

Unterbrechung

Grundlegendes

Verwendung

Weit verbreitete Verwendung

Vorläufersubstanzen

  • Theories of Van der Waals forces (Keesom, Debye, London)
  • The Pauli Exclusion Principle from quantum mechanics
  • The Mie potential, a more general form of interatomic potential
  • Early work on equations of state for real gases

Anwendungen

  • molecular dynamics (MD) and Monte Carlo (MC) simulations of simple fluids, solids, and gases
  • computational chemistry and materials science for developing force fields
  • Modellierung thermodynamisch properties and phase diagrams of substances like argon
  • providing a basic model for interatomic forces in physics education

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NA

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