范德瓦尔斯力在天体凝聚中的作用

1. 基础概念：范德瓦尔斯力本身

   • 范德瓦尔斯力是一种微弱的、发生在原子或分子之间的电性吸引力。它不属于化学键（如离子键、共价键），而是源于分子内部电荷分布的瞬时波动（瞬时偶极）所诱发的相互吸引。这种力普遍存在于所有物质粒子之间。
   • 其关键特点是：普遍存在、作用距离短（通常在纳米尺度）、强度弱（远弱于化学键）、与温度无关。它解释了为何惰性气体（如氦、氖）在低温下也能液化形成液体或固体。

2. 从小尺度到宏观尺度：颗粒间的粘附

   • 当物质以微小固体颗粒（如尘埃、冰晶）形式存在时，范德瓦尔斯力变得至关重要。即使颗粒是电中性的，其表面原子与另一个颗粒表面原子之间也能产生可观的范德瓦尔斯吸引力。
   • 在天体物理的原始星云和原行星盘中，充斥着大量微米级的尘埃颗粒。当这些颗粒在运动中偶然、缓慢地碰撞接触时，范德瓦尔斯力能将它们“粘合”在一起，形成更大的颗粒团。这是固态物质从微观迈向宏观的第一步凝聚机制，通常发生在气体密度相对较高的区域。

3. 天体物理环境：行星形成的初始阶段

   • 在原行星盘（围绕年轻恒星的气体和尘埃盘）中，气体分子和尘埃颗粒围绕恒星旋转。颗粒间的碰撞最初是温和的，因为来自气体湍流的相对速度较低。
   • 在“星子吸积模型”的第一阶段——尘埃生长中，范德瓦尔斯力主导了微米级尘埃颗粒聚合成毫米至厘米级“鹅卵石”的过程。这些“鹅卵石”是后续通过重力吸积形成千米级星子的基础建筑材料。没有这种微弱的粘附力，尘埃颗粒可能在碰撞后简单地弹开，无法启动行星的形成。

4. 作用的条件与局限性

   • 范德瓦尔斯力有效的前提是颗粒间的相对速度必须足够低（通常低于每秒几米）。如果速度过高，碰撞动能会超过粘附能，导致颗粒破碎或反弹。
   • 随着颗粒团增长到厘米至米级，仅靠范德瓦尔斯力已不足以维持其结构。此时，其他机制变得更重要，例如：静电作用、磁化颗粒的作用、或某些挥发性物质（如水冰）在颗粒接触点凝结形成的“冷焊”效应。
   • 当天体增长到千米级以上（成为星子）时，其自身的引力将取代范德瓦尔斯力，成为主导的聚集力。

5. 总结与意义

   • 范德瓦尔斯力是行星形成“链式反应”中不可或缺的“第一推动力”。它将星际介质中最原始的微观尘埃颗粒，温和而有效地粘合成更大的、足以启动后续引力吸积过程的初始团块。
   • 这一过程深刻影响了行星系统的组成和结构。例如，在温度较低的原行星盘外围（如柯伊伯带区域），冰晶（如水冰、甲烷冰）的范德瓦尔斯粘附效率可能更高，有助于解释该区域存在大量小天体（柯伊伯带天体）的原因。