قوة تشتيت لندن

قوى تشتت لندن ( LDF ، والمعروفة أيضًا باسم قوى التشتت ، أو قوى لندن ، أو قوى ثنائي القطب اللحظية - ثنائي القطب المستحث، أو روابط ثنائي القطب المستحث المتذبذبة ^{[ 1 ]،} أو بشكل عام باسم قوى فان دير فالس ) هي نوع من القوى بين الجزيئية التي تؤثر بين الذرات والجزيئات المتناظرة كهربائيًا عادةً؛ أي أن الإلكترونات موزعة بشكل متناظر بالنسبة للنواة. ^{[ 2 ]} وهي جزء من قوى فان دير فالس . سُميت قوى تشتت لندن نسبةً إلى الفيزيائي الألماني فريتز لندن . وهي أضعف القوى بين الجزيئية .

يخضع توزيع الإلكترونات حول الذرة أو الجزيء لتقلبات مع مرور الوقت. تُنشئ هذه التقلبات مجالات كهربائية لحظية تشعر بها الذرات والجزيئات المجاورة، والتي بدورها تُعدّل التوزيع المكاني لإلكتروناتها. والنتيجة النهائية هي أن تقلبات مواقع الإلكترونات في ذرة ما تُحفز إعادة توزيع مماثلة للإلكترونات في الذرات الأخرى، بحيث تصبح حركات الإلكترونات مترابطة. في حين أن النظرية التفصيلية تتطلب تفسيرًا ميكانيكيًا كميًا (انظر النظرية الميكانيكية الكمية لقوى التشتت ) ، يُوصف التأثير غالبًا بأنه تكوين ثنائيات أقطاب لحظية (تتجاذب عند فصلها بالفراغ ). غالبًا ما يُوصف مقدار قوة تشتت لندن بدلالة مُعامل واحد يُسمى ثابت هامكر ، ويرمز له عادةً بـ${\displaystyle A}$بالنسبة للذرات المتقاربة بمسافة أقل من طول موجة الضوء ، يكون التفاعل فوريًا تقريبًا، ويُوصَف بثابت هامكر "غير المتأخر". أما بالنسبة للذرات المتباعدة، فإن الزمن المحدود اللازم لتأثير التذبذب في ذرة ما على ذرة أخرى ("التأخير") يستلزم استخدام ثابت هامكر "المتأخر". ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}

بينما تكون قوة تشتت لندن بين الذرات والجزيئات الفردية ضعيفة للغاية وتتناقص بسرعة مع زيادة المسافة${\displaystyle R}$يحب${\displaystyle 1/R^{6}}$في المواد المكثفة (السوائل والمواد الصلبة)، يكون التأثير تراكميًا على حجم المواد، ^{[ 6 ]} أو داخل الجزيئات العضوية وفيما بينها، بحيث يمكن أن تكون قوى تشتت لندن قوية جدًا في المواد الصلبة والسائلة، وتتلاشى ببطء أكبر مع المسافة. على سبيل المثال، تنخفض القوة الكلية لكل وحدة مساحة بين مادتين صلبتين بمقدار${\displaystyle 1/R^{3}}$^{[ 7 ]} حيث${\displaystyle R}$يمثل هذا الفصل بينهما. تظهر تأثيرات قوى تشتت لندن بوضوح في الأنظمة غير القطبية (مثل تلك التي تفتقر إلى الروابط الأيونية )، كالهيدروكربونات والجزيئات المتناظرة للغاية مثل البروم (Br₂ _، سائل في درجة حرارة الغرفة) أو اليود (I₂ _، صلب في درجة حرارة الغرفة). في الهيدروكربونات والشموع ، تكون قوى التشتت كافية لإحداث تكثف من الحالة الغازية إلى الحالة السائلة أو الصلبة. تعكس حرارة التسامي، على سبيل المثال، لبلورات الهيدروكربونات تفاعل التشتت. كما تهيمن قوى تشتت لندن الجاذبة على تسييل غازي الأكسجين والنيتروجين إلى الحالة السائلة.

عندما تُفصل الذرات/الجزيئات بواسطة وسط ثالث (بدلاً من الفراغ)، يصبح الوضع أكثر تعقيداً. في المحاليل المائية ، غالباً ما تكون تأثيرات قوى التشتت بين الذرات أو الجزيئات أقل وضوحاً بسبب التنافس مع جزيئات المذيب القابلة للاستقطاب . أي أن التقلبات اللحظية في ذرة أو جزيء واحد تؤثر على كل من المذيب (الماء) والجزيئات الأخرى.

تُظهر الذرات والجزيئات الأكبر حجمًا والأثقل وزنًا قوى تشتت أقوى من تلك الأصغر والأخف وزنًا. ^{[ 8 ]} ويعود ذلك إلى زيادة استقطابية الجزيئات ذات السحب الإلكترونية الأكبر والأكثر تشتتًا . تُعدّ الاستقطابية مقياسًا لمدى سهولة إعادة توزيع الإلكترونات؛ فالاستقطابية العالية تعني سهولة إعادة توزيع الإلكترونات. ويتجلى هذا الاتجاه في الهالوجينات (من الأصغر إلى الأكبر: F₂ _، Cl₂ _، Br₂ _، I₂ ₎ . ويحدث نفس ازدياد التجاذب التشتتي داخل وبين الجزيئات العضوية بالترتيب RF، RCl، RBr، RI (من الأصغر إلى الأكبر)، أو مع ذرات غير متجانسة أخرى ذات استقطابية أعلى . [ 9] الفلور والكلور غازان في ^{درجة حرارة الغرفة} ، والبروم سائل ، واليود صلب. ويُعتقد أن قوى لندن تنشأ من حركة الإلكترونات.

قدّم فريتز لندن أول تفسير للتجاذب بين ذرات الغازات النبيلة عام 1930. ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]} استخدم لندن نظرية ميكانيكية كمية قائمة على نظرية الاضطراب من الرتبة الثانية . ينشأ هذا الاضطراب من تفاعل كولوم بين الإلكترونات ونوى الجسيمات الكيميائية (سواء كانت ذرات أو جزيئات). يتضمن تعبير طاقة التفاعل في نظرية الاضطراب من الرتبة الثانية مجموعًا للحالات. الحالات الظاهرة في هذا المجموع هي نواتج بسيطة للحالات الإلكترونية المحفزة للجسيمات. وبالتالي، لا يُؤخذ في الحسبان أي تناظر مضاد بين الجزيئات للحالات الإلكترونية، ولا يتحقق مبدأ استبعاد باولي إلا جزئيًا.

كتب لندن توسيعًا لسلسلة تايلور للاضطراب في${\displaystyle 1/R}$، أين${\displaystyle R}$هي المسافة بين المركزين النوويين لكتلة الجسيمات. يُعرف هذا التوسع بتوسع الأقطاب المتعددة لأن حدود هذه السلسلة يمكن اعتبارها طاقات قطبين متعددين متفاعلين، أحدهما على كل جسيم. يؤدي استبدال الشكل الموسع للأقطاب المتعددة للجهد الكهرومغناطيسي ، V ، في طاقة الرتبة الثانية إلى تعبير يشبه تعبيرًا يصف التفاعل بين الأقطاب المتعددة الآنية (انظر الوصف النوعي أعلاه). بالإضافة إلى ذلك، يجب إدخال تقريب، سُمي على اسم ألبريشت أونسولد ، للحصول على وصف لتشتت لندن بدلالة أحجام الاستقطابية .${\displaystyle \alpha '}$وطاقات التأين ،${\displaystyle I}$.

وبهذه الطريقة، يتم الحصول على التقريب التالي لتفاعل التشتت${\displaystyle E_{AB}^{\rm {disp}}}$بين ذرتين${\displaystyle A}$و${\displaystyle B}$. هنا،${\displaystyle \alpha '_{A}}$و${\displaystyle \alpha '_{B}}$تمثل هذه الكميات أحجام الاستقطابية للذرات المعنية.${\displaystyle I_{A}}$و${\displaystyle I_{B}}$هي طاقات التأين الأولى للذرات، و${\displaystyle R}$هي المسافة بين الذرات.

${\displaystyle E_{AB}^{\rm {disp}}\approx -{3 \over 2}{I_{A}I_{B} \over I_{A}+I_{B}}{\alpha '_{A}\alpha '_{B} \over {R^{6}}}}$

تجدر الإشارة إلى أن معادلة لندن النهائية هذه لا تتضمن ثنائيات أقطاب لحظية (انظر ثنائيات الأقطاب الجزيئية ). وقد تم ابتكار "تفسير" قوة التشتت باعتبارها تفاعلاً بين ثنائيي قطب من هذا النوع بعد أن توصل لندن إلى النظرية الكمية الميكانيكية الصحيحة. ويتضمن العمل المرجعي ^{[ 13 ]} نقدًا لنموذج ثنائي القطب اللحظي ^{[ 14 ]} وشرحًا حديثًا وشاملاً لنظرية القوى بين الجزيئية.

تتشابه نظرية لندن إلى حد كبير مع نظرية تشتت الضوء في ميكانيكا الكم ، ولهذا السبب صاغ لندن مصطلح "تأثير التشتت". في الفيزياء، يصف مصطلح "التشتت" تغير كمية ما مع التردد، وهو ما يمثل تذبذب الإلكترونات في حالة تشتت لندن.

عادةً ما تكون قوى التشتت هي السائدة على قوى فان دير فالس الثلاث (التوجيه، والحث، والتشتت) بين الذرات والجزيئات، باستثناء الجزيئات الصغيرة والقطبية للغاية، مثل الماء. وقد تم تحديد مساهمة التشتت في طاقة التفاعل بين الجزيئات الكلية على النحو التالي: ^{[ 15 ]}

• التشتت (الكيمياء)
• قوة فان دير فالس
• جزيء فان دير فالس
• التفاعلات غير التساهمية