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内容简介
本书是分子间力与表面科学中的教材之一。书中对于分子间力和表面力主要方面作了综合而统一的介绍，并采取多学科交叉的视角，使用一个普遍化的看待分子间力和表面力的观点来分析在各种表面上迥异的现象中分子间力和表面力是发挥的作用。并描述它们对常规的简单气体、液体和固体系统（以及一些更特殊、更有趣的系统）的性质所起到的决定作用。本书共18章，分成三部分，第1部分讨论分子与原子间的相互作用，第二部分讨论硬球与界面间的相互作用，第三部分则讨论不具有硬性边界的分子集合体在胶束（表面活性剂分子的集合体）和生物膜（脂质和蛋白质的集合体）等溶液中的作用。本书的特点是，在没有复杂的数学与理论推导的基础上介绍了相关的基本理论和概念，为众多领域的应用打下坚实的基础。
目录
《纳米科学与技术》丛书序
翻译版序
译者序
第三版序
第二版序
Jacob Israelachvili传记单位、符号、有用的量和关系定义和术语
第1章 ?历史回顾
1．1 自然界存在的四种力
1．2 希腊和中世纪关于分子间力的认识
1．3 17世纪：早期科学时期
1．4 18世纪：困惑、矛盾和争论
1．5 19世纪：连续理论与分子理论之争
1．6 分子间力——规律和相互作用势：长程力和短程力
1．7 成功的唯象理论
1．8 分子尺寸的次估计
1．9 20世纪：了解简单系统
1．10 近期发展趋势问题与讨论
第2章 ?分子间力的热力学和统计力学
2．1 自由空间和介质中的分子间相互作用
2．2 自我能与二体势
2．3 玻尔兹曼分布和化学势
2．4 平衡系统中的分子和粒子分布
2．5 范德华状态方程(EOS)
2．6 用热能kT作为标准来估计相互作用的强度
2．7 力和二体势的分类
2．8 多分子系统的理论性分析：连续性方法或分子方法
2．9 计算机模拟的分子方法：蒙特卡罗(Mc)和分子动力学(MD)
2．10 牛顿定律在二体碰撞中应用
2．11 多重碰撞的动力学和统计力学：玻尔兹曼分布问题与讨论
第3章 ?强分子间力：共价相互作用与库仑相互作用
3．1 共价键(化学键力)
3．2 物理键和化学键
3．3 库仑力或者电荷-电荷之间的相互作用，高斯规则
3．4 离子晶体
3．5 参考态
3．6 静电力的范围
3．7 离子的玻恩能
3．8 离子在不同溶剂中的溶解度
3．9 特殊离子一溶剂作用：连续性方法
3．10 分子方法：计算机模拟和多体系统的积分方程问题与讨论
第4章 ?极性分子间相互作用
4．1 什么是极性分子
4．2 极性自我能
4．3 离子一偶极相互作用
4．4 极性溶剂中的离子
4．5 水中强的离子一偶极相互作用：水合离子
4．6 溶解力、结构力和水合力
4．7 偶极一偶极相互作用
4．8 磁偶极
4．9 氢键
4．10 旋转偶极和角平均势
4．11 熵效应问题与讨论
第5章 ?与分
摘要与插图
第一部 分原子和分子间力分子间力和表面力第1章 历 史 回 顾
1.1 自然界存在的四种力众所周知，自然界中存在四种不同的力。其中两种力是：存在于质子、中子、电子和其他基本粒子之间的强相互作用和弱相互作用，这两种力的有效作用距离很短，不超过10-5 nm，属于核物理及高能物理的研究范畴；另外两种力是：存在于原子和分子（也包括基本粒子）之间的电磁相互作用和引力相互作用，这两种力的有效作用距离跨越尺度较大，从亚原子尺度延伸至无限远处，因此它们成为决定物体实际宏观行为的作用力（图1.1）。例如，电磁力——所有分子间相互作用的起源——决定了固体、液体和气体性质，溶液中粒子行为，化学反应和生物结构组织。万有引力引发了潮汐和诸多宇宙现象，并与分子间力共同作用决定了毛细管中液体上升高度，同时，万有引力还影响着动植物生长发育能够达到的最大尺寸（Thompson，1968）。
本书主要关注的是分子间力，在我们进入主题之前，首先简要回顾一下自古希腊以来相关研究的发展历程。
1.2希腊和中世纪关于分子间力的认识
希腊人是最早脱离宗教思想来思考力的。他们认为所有的自然现象都可以用两种基本作用力来解释：引力和斥力。前者使万物聚集，而后者使万物分离。这种思想大约在公元前450年由Empedocles（恩培多克勒）最早提出，经亚里士多德（Aristotle）大幅度“改进”后，被看作化学理论的基础长达2000年之久。
古代的人常常对不同形式的物体间存在的某种神秘的力（即今天所谓的磁场力和静电力）而产生特殊的灵感。他们对这种与引力相似、无需接触而发生相互作用的力产生好奇，但由于缺少具体实验，他们只能更多地依靠丰富的想象（Verschuur，1993）。例如，磁力既能为人治病，亦能使人患上忧郁症或偷窃癖。磁石可用于寻金，也可作为爱情药方测试女人的贞洁。不幸的是，有些磁性材料与大蒜摩擦后会失去磁性（但在羊血中浸泡后即可恢复磁性）。电现象的性质虽不那么引人注目，但不同物体间的摩擦不仅产生相互吸引或相互排斥，而且也产生电火花等现象，而这些不断激发人们的好奇心，直到17世纪我们的祖先都在饶有兴致地研究此类现象，乃至炼金术、占星术和寻找永动机，也为化学和物理学的发展铺平了道路。
尽管以上实践有不科学和前科学的本质，我们仍然要认识到正是这些实践促成了很多概念性的突破。提到古代重要的科学家，我们熟知的有Archimedes（阿基米德）、Galileo（伽利略伽利略）和Newton（牛顿牛顿）（图1.1）。虽然我们已经熟知他们的科学贡献，但很多人并不知道这些贡献所带来的概念性的突破。当阿基米德（公元前287~前212）发现阿基米德定理时，他发现把物体放到某一介质并将介质排开时，物体受到的重力是可以改变的，甚至可以从引力转变成斥力。今后我们还可以在很多种类的相互作用中看到类似的取代效应，比如范德华力，它所带来的很多重要的结论至今才得到足够的重视。
图1.1自然界中的力
（a）强的核相互作用将质子和中子限制在原子核内,弱相互作用存在于电子散射（β衰变）中；（b）静电（分子间）力为决定原子和分子以固态或液态形式存在的内聚力；（c）万有引力影响着潮汐、落体和卫星。万有引力和分子间力的共同作用决定了建筑、山峰、树木和动物可能达到的最大尺度
1.3 17世纪：早期科学时期
一开始人们并不知道通过实验来探索大自然的规律，直到伽利略伽利略（1564~1642）通过有关重力、物体运动、光学和天文学的一系列经典实验，并证实真空的存在，才开创了现代“科学方法”（表1.1）。
表1.1对我们认识分子间力起到重要贡献的科学家（包括发挥间接贡献的科学家）
伽利略还提出了一种全新的非纯粹形而上学的思考方式。例如，从比萨斜塔扔下两个不同重量的球的实验正是他试图通过一种新的论证手段——我们今天可称之为“标度论证标度论证”——诠释亚里士多德物理的一种答案（参见问题1.1），这种通过直接实验直接实验的手段证实假设的实验在当时是非常新颖的①。这对牛顿因苹果落下并砸在他的头上而发现万有引力定律应该起到了一定的作用。我们试想一下，在这之前有多少人因为苹果落下砸在他们的头上，可是他们中又有谁能将这种现象与月球公转联系起来并归纳为是同一种力的表现？这个思考过程需要一个跨越式的想象力，即时间维度跨越106、空间维度跨越108、质量跨越1024的想象力。
但是麻烦转瞬即来。1662年罗伯特?玻意耳罗伯特?玻意耳（Robert Boyle，1627~1691）发表了著名的气体定律，PV=常数。25年后，艾萨克?牛顿（Isaac Newton，1643~1727）发表了著名的万有引力定律。玻意耳定律认为分子之间是相互排斥的（PV=常数中的压力P是斥力），但是万有引力定律认为它们彼此吸引。由于气体可以被压缩成液体或固体，牛顿推断气体分子间最终还是相互吸引的。这些显而易见的矛盾为随后两个世纪的激烈争论埋下了第一粒火种。
例题1.1
问题： 如果实验观察到的PV=常数是静态气体分子间的斥力所导致的，那么这种力与分子间距离的关系是怎样的？更为一般来说，如果P∝(1/V)m∝ρm,其中ρ为密度，那么力函数是怎样的？不要用18世纪以后的概念来回答。
答案： 在18世纪，物质和空间被认为是由静止的“小微粒”构成的，当时还没有气体动力学、分子碰撞和热力学理论。势能的概念也未出现，任何事物都被描述成由某些诸如“以太”或“热量”的介质或者流体基于机械力作用而构成的。
假设两个分子之间的斥力为+C/rn。考虑一个边长为L，体积为L3的立方体中的气体，在这个立方体中，气体分子数为N，每个分子占据的体积为v=r3，r为任意两个分子之间的距离，据此可以得到N=V/v=L3/r3，在N不变的情况下，r∝L。同样，一个面积为L2的平面含有L2/r2个分子，这些分子会施加一个大小为(C/rn)×(L2/r2)的总法向力，对平面施加的压力应为：P=力/面积=(C/rn)×(L2/r2)/L2=C/rn+2。根据实验得到P∝1/V，可以推得P∝1/V∝1/L3∝1/r3（因为r∝L），因此最终得到n=3-2=1，表明分子间斥力的函数为F=+C/r。更普遍地说，对于P∝(1/V)m∝ρm，我们可以得到n=3m-2。
本章脚注①与伽利略同时期的弗朗西斯?培根（1561~1626）以首创归纳法和第一个进行实用实验研究而闻名于世。但不幸的是，他的第一个实验也是他的最后一个实验：他将雪填塞进一个掏空内脏的鸡中研究冷藏对肉的保鲜作用，在此过程中因受风寒而一病不起后去世。