แรงกระจายตัวของลอนดอน ( LDFหรือที่รู้จักกันในชื่อแรงกระจายตัว แรงลอนดอนแรงไดโพลเหนี่ยวนำทันที พันธะไดโพลเหนี่ยวนำผันผวน^{[ 1 ]}หรือเรียกอย่างคร่าวๆ ว่าแรงแวนเดอร์วาลส์ ) เป็น แรงระหว่างโมเลกุลชนิดหนึ่งที่กระทำระหว่างอะตอมและโมเลกุลซึ่งโดยปกติแล้วจะมีสมมาตรทางไฟฟ้า กล่าวคือ อิเล็กตรอนมีการกระจายตัวอย่างสมมาตรเมื่อเทียบกับนิวเคลียส^{[ 2 ]}แรงเหล่านี้เป็นส่วนหนึ่งของแรงแวนเดอร์วาลส์ LDF ได้รับการตั้งชื่อตามนักฟิสิกส์ชาวเยอรมันฟริตซ์ ลอนดอน แรงเหล่านี้เป็น แรงระหว่างโมเลกุลที่อ่อนที่สุด

การกระจายตัวของอิเล็กตรอนรอบอะตอมหรือโมเลกุลจะผันผวนไปตามเวลา ความผันผวนเหล่านี้สร้างสนามไฟฟ้าชั่วขณะ ซึ่งส่งผลต่ออะตอมและโมเลกุลอื่นๆ ที่อยู่ใกล้เคียง และปรับการกระจายตัวของอิเล็กตรอนในอะตอมและโมเลกุลเหล่านั้นตามไปด้วย ผลสุทธิคือ ความผันผวนของตำแหน่งอิเล็กตรอนในอะตอมหนึ่งจะเหนี่ยวนำให้เกิดการกระจายตัวของอิเล็กตรอนในอะตอมอื่นๆ ที่สอดคล้องกัน ทำให้การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนมีความสัมพันธ์กัน แม้ว่าทฤษฎีโดยละเอียดจะต้องการคำอธิบายทางกลศาสตร์ควอนตัม(ดูทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมของแรงกระจายตัว )แต่ผลกระทบนี้มักถูกอธิบายว่าเป็นการก่อตัวของไดโพลชั่วขณะที่ (เมื่อแยกจากกันด้วยสุญญากาศ ) ดึงดูดซึ่งกันและกัน ขนาดของแรงกระจายตัวของลอนดอนมักถูกอธิบายในแง่ของพารามิเตอร์เดียวที่เรียกว่าค่าคงที่ฮามาเกอร์ซึ่งโดยทั่วไปใช้สัญลักษณ์สำหรับอะตอมที่อยู่ใกล้กันมากกว่าความยาวคลื่นของแสงปฏิสัมพันธ์นั้นโดยพื้นฐานแล้วเกิดขึ้นทันทีและอธิบายได้ในแง่ของค่าคงที่ฮามาเกอร์แบบ "ไม่หน่วงเวลา" สำหรับเอนทิตีที่อยู่ห่างกันมากขึ้น เวลาจำกัดที่จำเป็นสำหรับการผันผวนที่อะตอมหนึ่งที่จะส่งผลต่ออะตอมที่สอง ("การหน่วง") ต้องใช้ค่าคงที่ Hamaker ที่ "หน่วง" ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}${\displaystyle A}$

ในขณะที่แรงกระจายตัวของลอนดอนระหว่างอะตอมและโมเลกุลแต่ละตัวค่อนข้างอ่อนและลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อระยะห่างเพิ่มขึ้นเช่นในสสารควบแน่น (ของเหลวและของแข็ง) ผลกระทบจะสะสมตามปริมาตรของวัสดุ^{[ 6 ]}หรือภายในและระหว่างโมเลกุลอินทรีย์ ทำให้แรงกระจายตัวของลอนดอนค่อนข้างแข็งแรงในของแข็งและของเหลวจำนวนมากและลดลงช้าลงมากเมื่อระยะห่างเพิ่มขึ้น ตัวอย่างเช่น แรงทั้งหมดต่อหน่วยพื้นที่ระหว่างของแข็งจำนวนมากสองก้อนจะลดลง^{[ 7 ]} โดยที่คือระยะห่างระหว่างกัน ผลกระทบของแรงกระจายตัวของลอนดอนนั้นเห็นได้ชัดเจนที่สุดในระบบที่ไม่มีขั้วมาก (เช่น ระบบที่ไม่มีพันธะไอ ออนิก ) เช่นไฮโดรคาร์บอนและโมเลกุลที่มีสมมาตรสูง เช่นโบรมีน (Br เป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้อง) หรือไอโอดีน (I เป็นของแข็งที่อุณหภูมิห้อง) ในไฮโดรคาร์บอนและแว็กซ์แรงกระจายตัวนั้นเพียงพอที่จะทำให้เกิดการควบแน่นจากเฟสแก๊สไปเป็นเฟสของเหลวหรือของแข็ง ความร้อนของการระเหิดของผลึกไฮโดรคาร์บอนสะท้อนให้เห็นถึงปฏิสัมพันธ์ของแรงกระจายตัว การเปลี่ยนสถานะก๊าซออกซิเจนและไนโตรเจนเป็นของเหลวนั้น ส่วนใหญ่เกิดจากแรงดึงดูดของลอนดอน (London dispersion forces)${\displaystyle R}$${\displaystyle 1/R^{6}}$${\displaystyle 1/R^{3}}$${\displaystyle R}$

เมื่ออะตอม/โมเลกุลถูกคั่นด้วยตัวกลางที่สาม (แทนที่จะเป็นสุญญากาศ) สถานการณ์จะซับซ้อนมากขึ้น ในสารละลายในน้ำผลของแรงดึงดูดระหว่างอะตอมหรือโมเลกุลมักจะลดลงเนื่องจากการแข่งขันกับ โมเลกุล ของตัวทำละลาย ที่สามารถเหนี่ยวนำให้เกิดขั้วได้ กล่าวคือ การเปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลันของอะตอมหรือโมเลกุลหนึ่งจะส่งผลกระทบต่อทั้งตัวทำละลาย (น้ำ) และโมเลกุลอื่นๆ

อะตอมและโมเลกุลที่มีขนาดใหญ่และหนักกว่าจะแสดงแรงกระจายตัวที่แข็งแกร่งกว่าอะตอมและโมเลกุลที่มีขนาดเล็กและเบากว่า^{[ 8 ]}เนื่องจากโมเลกุลที่มีกลุ่มอิเล็กตรอน ขนาดใหญ่และกระจายตัวมากขึ้นจะมีค่าโพ ลาไรเซชันสูงขึ้น ค่าโพลาไรเซชันเป็นตัววัดว่าอิเล็กตรอนสามารถกระจายตัวได้ง่ายเพียงใด ค่าโพลาไรเซชันสูงหมายความว่าอิเล็กตรอนสามารถกระจายตัวได้ง่ายขึ้น แนวโน้มนี้แสดงให้เห็นได้จากธาตุฮาโลเจน (จากเล็กสุดไปใหญ่สุด: F , Cl , Br , I ) การเพิ่มขึ้นของแรงดึงดูดแบบกระจายตัวแบบเดียวกันนี้เกิดขึ้นภายในและระหว่างโมเลกุลอินทรีย์ในลำดับ RF, RCl, RBr, RI (จากเล็กสุดไปใหญ่สุด) หรือกับเฮเทอโรอะตอมที่ มีค่าโพลาไรเซชันสูงกว่า ^{[ 9 ]}ฟลูออรีนและคลอรีนเป็นก๊าซที่อุณหภูมิห้อง โบรมีนเป็นของเหลว และไอโอดีนเป็นของแข็ง เชื่อกันว่าแรงลอนดอนเกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน

คำอธิบายแรกเกี่ยวกับแรงดึงดูดระหว่างอะตอมของก๊าซเฉื่อยนั้นได้มาจากFritz Londonในปี พ.ศ. 2473 ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}เขาใช้ทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมโดยอิงจากทฤษฎีการรบกวนอันดับสองการรบกวนเกิดจากปฏิสัมพันธ์คูลอมบ์ระหว่างอิเล็กตรอนและนิวเคลียสของโมเลกุล ทั้งสอง (อะตอมหรือโมเลกุล) นิพจน์การรบกวนอันดับสองของพลังงานปฏิสัมพันธ์ประกอบด้วยผลรวมของสถานะต่างๆ สถานะที่ปรากฏในผลรวมนี้เป็นผลคูณอย่างง่ายของสถานะอิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นของโมโนเมอร์ดังนั้นจึงไม่มีการรวมการต่อต้านสมมาตรระหว่างโมเลกุลของสถานะอิเล็กตรอน และหลักการกีดกันของ Pauliจึงเป็นไปตามเงื่อนไขเพียงบางส่วนเท่านั้น

ลอนดอนเขียน การขยาย อนุกรมเทย์เลอร์ของการรบกวนในโดยที่คือระยะห่างระหว่างจุดศูนย์กลางมวลของนิวเคลียสของโมเลกุล การขยายนี้เรียกว่าการขยายแบบมัลติโพลเนื่องจากพจน์ในอนุกรมนี้สามารถถือได้ว่าเป็นพลังงานของมัลติโพลสองตัวที่โต้ตอบกัน ตัวหนึ่งอยู่บนโมโนเมอร์แต่ละตัว การแทนที่รูปแบบที่ขยายแบบมัลติโพลของ V ลงในพลังงานอันดับสองจะให้ผลลัพธ์ที่คล้ายกับผลลัพธ์ที่อธิบายปฏิสัมพันธ์ระหว่างมัลติโพลชั่วขณะ (ดูคำอธิบายเชิงคุณภาพด้านบน) นอกจากนี้ ต้องมีการแนะนำการประมาณค่า ซึ่งตั้งชื่อตามอัลเบรชต์ อุนส์โอลด์ เพื่อให้ได้คำอธิบายของการกระจายตัวของลอนดอนในแง่ของปริมาตรโพลาไรซ์ , , และพลังงานไอออนไนเซชัน , .${\displaystyle 1/R}$${\displaystyle R}$${\displaystyle \alpha '}$${\displaystyle I}$

ด้วยวิธีนี้ จะได้ค่าประมาณต่อไปนี้สำหรับอันตรกิริยาการกระจายตัวระหว่างอะตอมสองอะตอมและโดยที่และคือปริมาตรโพลาไรซ์ของอะตอมตามลำดับ ปริมาณและคือพลังงานไอออนไนเซชันแรกของอะตอม และคือระยะห่างระหว่างโมเลกุล${\displaystyle E_{AB}^{\rm {disp}}}$${\displaystyle A}$${\displaystyle B}$${\displaystyle \alpha '_{A}}$${\displaystyle \alpha '_{B}}$${\displaystyle I_{A}}$${\displaystyle I_{B}}$${\displaystyle R}$

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

โปรดทราบว่าสมการลอนดอนสุดท้ายนี้ไม่มีไดโพลทันที (ดูไดโพลโมเลกุล ) "คำอธิบาย" ของแรงกระจายตัวในฐานะปฏิสัมพันธ์ระหว่างไดโพลสองตัวดังกล่าวถูกคิดค้นขึ้นหลังจากที่ลอนดอนได้ทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมที่เหมาะสมแล้ว งานที่เชื่อถือได้^{[ 13 ]}ประกอบด้วยการวิจารณ์แบบจำลองไดโพลทันที^{[ 14 ]}และการอธิบายที่ทันสมัยและละเอียดถี่ถ้วนของทฤษฎีแรงระหว่างโมเลกุล

ทฤษฎีของลอนดอนมีความคล้ายคลึงกับทฤษฎีการกระจายแสง ในกลศาสตร์ควอนตัมเป็นอย่างมาก ซึ่งเป็นเหตุผลที่ลอนดอนบัญญัติคำว่า "ปรากฏการณ์การกระจายแสง" ในทางฟิสิกส์ คำว่า "การกระจายแสง" หมายถึงการเปลี่ยนแปลงของปริมาณหนึ่งๆ ตามความถี่ ซึ่งในกรณีของการกระจายแสงแบบลอนดอนนั้น คือการผันผวนของอิเล็กตรอน

แรงกระจายตัวมักจะมีอิทธิพลเหนือกว่าแรงแวนเดอร์วาลส์ทั้งสาม (การวางแนว การเหนี่ยวนำ การกระจายตัว) ระหว่างอะตอมและโมเลกุล ยกเว้นโมเลกุลที่มีขนาดเล็กและมีขั้วสูง เช่น น้ำ การมีส่วนร่วมของแรงกระจายตัวต่อพลังงานปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลทั้งหมดมีดังนี้: ^{[ 15 ]}

• การกระจายตัว (ทางเคมี)
• แรงแวนเดอร์วาลส์
• โมเลกุลแวนเดอร์วาลส์
• ปฏิสัมพันธ์ที่ไม่ใช่พันธะโควาเลนต์