以熱力學性質定義帶電粒子的電荷重正化現象

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姓名

辛偉綸(Wei-Lun Hsin) 查詢紙本館藏

畢業系所

化學工程與材料工程學系

論文名稱

以熱力學性質定義帶電粒子的電荷重正化現象
(Charge renormalization of charged spheresbased on thermodynamic properties)

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摘要(中)

在水中加入陽離子型、陰離子型、兩性離子型等界面活性劑(surfactant)，會解離出反離子(counterion)。當界劑達到CMC時，會聚集形成微胞(micelles)，其散佈在水中的反離子會靠近帶Z價電荷的微胞表面，這就是反離子凝聚(condensation)現象。從遠處感受微胞的電荷也就不再是Z價電荷了，我們以Debye-Hückel進似理論來得到有效電荷Z*，例如計算DLVO位能時就必須考慮到有效電荷Z*。而一個帶電膠體系統擁有效電荷的現象就稱為電荷的重正化(charge renormalization)。
對一個未加鹽類(salt-free)的膠體(colloidal)懸浮溶液，我們採用球型系統(spherical Wigner-Seitz cell) ，在系統的正中心放入帶電粒子，周圍散佈著因帶電粒子解離出的反離子，整個系統視為電中性，改變球型系統的大小，相當於改變真實情況的濃度。以蒙地卡羅模擬法(MC)得到各式各樣的熱力學性質

摘要(英)

At strong electrostatic coupling, counterions are accumulated in the vicinity of the surface of the
charged particle with intrinsic charge Z. In order to explain the behavior of highly charged particles,
effective charges Z* is therefore invoked in the models based on Debye-Hückel approximation, such
as the DLVO potential. For a salt-free colloidal suspension, we perform Monte Carlo simulations to
obtain various thermodynamic properties ω in a spherical Wigner-Seitz cell. The effect of dielectric
discontinuity is examined. We show that at the same particle volume fraction, counterions around
a highly charged spheres with Z may display the same value of ω as those around a weakly charged
sphere with Z*, i.e., ω(Z) = ω(Z*). There exists a maximally attainable value of ω at which
Z = Z*. Defining Z* as the effective charge, we find that the effective charge passes through a
maximum and declines again due to ion-ion correlation as the number of counterions is increased.
The effective charge is even smaller if one adopts the Debye-Hückel expression ωDH. Our results
suggest that charge renormalization can be performed by chemical potential, which may be observed
in osmotic pressure measurements.

關鍵字(中)

★ 電荷重正化現象
★ 帶電粒子

關鍵字(英)

★ Charge renormalization
★ charged spheres

論文目次

全文目錄
第一章序論與文獻回顧 1
1-1 電荷重正化(反離子凝聚)的現象 1
1-2 介紹Wigner-Seitz Cell 3
1-3 過去研究中有效電荷的定義 4
1-4 以熱力學性質定義有效電荷 7
第二章理論介紹 9
2-1 以Partition Function得到系統的熱力學性質 9
2-2 極弱的吸引作用：Debye-Hückel近似理論 14
第三章蒙地卡羅模擬 17
3-1 Poisson方程式 17
3-2 Metropolis Method 19
3-3 Widom’s Method 20
第四章結果與討論 22
4-1 比較DH與MC的結果 24
4-2 以化學勢能(滲透壓)定義電荷重正化現象 26
4-3 以表面電位定義電荷重正化現象 30
4-4 系統的內能 32
4-5 界面兩側的介電常數不連續的影響 33
4-6 結論 35
參考文獻 48
圖目錄
圖1-1 7
圖3-1 21
圖4-1 37
圖4-2 38
圖4-3 39
圖4-4 40
圖4-5 41
圖4-6 42
圖4-7 43
圖4-8 44
圖4-9 45
圖4-10 46
圖4-11 47
表目錄
表4-1 36

參考文獻

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指導教授

曹恒光(Heng-Kwong Tsao)

審核日期

2004-7-1

推文