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Potentiel Lennard-Jones

1924
  • John Lennard-Jones
Scène de laboratoire avec un scientifique effectuant des simulations de dynamique moléculaire en utilisant le potentiel de Lennard-Jones.

(Image générée à titre d'illustration uniquement)

Un modèle mathématique simple et largement utilisé qui approxime l'énergie potentielle d'interaction entre deux atomes ou molécules neutres. Il combine un terme attractif à longue portée ([latex]propto r^{-6}[/latex]) représentant Van der Waals forces avec un terme répulsif à courte portée et à forte pente ([latex]propto r^{-12}[/latex]) représentant la répulsion de Pauli. La formule est [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.

Les deux paramètres du modèle ont une signification physique claire : ε représente la profondeur du puits de potentiel, soit l’intensité de l’attraction, et σ représente la distance à laquelle l’énergie potentielle est nulle, soit le diamètre effectif de l’atome. Bien qu’il s’agisse d’une approximation, le potentiel de Lennard-Jones prédit remarquablement bien les propriétés des substances simples et non polaires et constitue un élément fondamental pour les champs de force plus complexes utilisés pour simuler les protéines, les polymères et d’autres matériaux.

UNESCO Nomenclature: 2202
- Physique atomique et moléculaire

Taper

Modèle mathématique

Perturbation

Fondamentaux

Usage

Utilisation généralisée

Précurseurs

  • Theories of Van der Waals forces (Keesom, Debye, London)
  • Le principe d'exclusion de Pauli de la mécanique quantique
  • Le potentiel de Mie, une forme plus générale du potentiel interatomique
  • Premiers travaux sur les équations d'état pour les gaz réels

Applications

  • simulations de dynamique moléculaire (MD) et de Monte Carlo (MC) de fluides, de solides et de gaz simples
  • chimie computationnelle et science des matériaux pour le développement de champs de force
  • modeling thermodynamic properties and phase diagrams of substances like argon
  • fournir un modèle de base pour les forces interatomiques dans l'enseignement de la physique

Brevets:

NA

Idées d'innovations potentielles

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En lien avec : potentiel de Lennard-Jones, dynamique moléculaire, énergie potentielle, force intermoléculaire, répulsion de Pauli, Van der Waals, chimie computationnelle, simulation, champ de force, argon.

Contexte historique

Potentiel Lennard-Jones

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

(si la date est inconnue ou non pertinente, par exemple « mécanique des fluides », une estimation arrondie de son émergence notable est fournie)

Inventions, innovations et principes techniques connexes

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