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Potenziale di Lennard-Jones

1924
  • John Lennard-Jones
Scena di laboratorio con scienziato che esegue simulazioni di dinamica molecolare utilizzando il potenziale di Lennard-Jones.

(Immagine generata a solo scopo illustrativo)

Un modello matematico semplice e ampiamente utilizzato che approssima l'energia potenziale di interazione tra due atomi o molecole neutre. Combina un termine attrattivo a lungo raggio ([latex]propto r^{-6}[/latex]) che rappresenta Van der Waals forze con un termine repulsivo ripido e a corto raggio ([latex]propto r^{-12}[/latex]) che rappresenta la repulsione di Pauli. La formula è [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.

I due parametri del modello hanno un chiaro significato fisico: ε (ε) rappresenta la profondità del pozzo di potenziale, ovvero l'intensità dell'attrazione, e σ (σ) è la distanza alla quale l'energia potenziale è zero, rappresentando il diametro effettivo dell'atomo. Pur essendo un'approssimazione, il potenziale di Lennard-Jones si dimostra straordinariamente efficace nel predire le proprietà di sostanze semplici e non polari e funge da elemento fondamentale per campi di forza più complessi utilizzati per simulare proteine, polimeri e altri materiali.

UNESCO Nomenclature: 2202
- Fisica atomica e molecolare

Tipo

Modello matematico

Interruzione

Fondamento

Utilizzo

Uso diffuso

Precursori

  • Theories of Van der Waals forces (Keesom, Debye, London)
  • Il principio di esclusione di Pauli dalla meccanica quantistica
  • Il potenziale di Mie, una forma più generale di potenziale interatomico
  • Primi lavori sulle equazioni di stato per i gas reali

Applicazioni

  • simulazioni di dinamica molecolare (MD) e Monte Carlo (MC) di fluidi, solidi e gas semplici
  • chimica computazionale e scienza dei materiali per lo sviluppo di campi di forza
  • modeling thermodynamic properties and phase diagrams of substances like argon
  • fornire un modello di base per le forze interatomiche nell'insegnamento della fisica

Brevetti:

NA

Idee e potenziali innovazioni

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Argomenti correlati: potenziale di Lennard-Jones, dinamica molecolare, energia potenziale, forza intermolecolare, repulsione di Pauli, forze di Van der Waals, chimica computazionale, simulazione, campo di forza, argon.

Contesto storico

Potenziale di Lennard-Jones

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1925
1926
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1924
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1925
1926
1927

(se la data è sconosciuta o non rilevante, ad esempio "meccanica dei fluidi", viene fornita una stima approssimativa della sua notevole comparsa)

Invenzioni, innovazioni e principi tecnici correlati

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