last_modified: 2026-01-09

1. 物質の三態を作るもの#

水（液体）を冷やすと氷（固体）になり、熱すると水蒸気（気体）になります。この劇的な変化（相転移）は、ミクロな世界では何が起きているのでしょうか？

鍵となるのは、分子同士の 「結合エネルギー（引力）」 と 「熱運動エネルギー（運動）」 の綱引きです。

• 引力 > 熱運動: 分子は互いに強く束縛され、整列します（固体）。
• 引力 ≈ 熱運動: 分子は束縛されつつも、位置を入れ替えることができます（液体）。
• 引力 < 熱運動: 分子は引力を振り切って自由に飛び回ります（気体）。

今回は、最も単純かつ強力なモデルである Lennard-Jones (LJ) ポテンシャル を用いて、この変化を再現します。

2. 実験ガイド：相転移を観察しよう#

シミュレータの「Temperature (T)」スライダーを動かして、状態変化を観察してください。

実験 A: 結晶化（Solidification）#

1. スライダーを 0.3 以下 に下げてください。
2. しばらく待つと、粒子同士が引力で集まり、自然に 六角形のパターン（最密充填構造） に並び始めます。
3. これが 「結晶化」 です。誰かが「並べ」と命令したわけではなく、エネルギー的に最も安定な配置へ自発的に落ち着いた結果です。

実験 B: 融解（Melting）#

1. 温度を 0.6 〜 0.7 付近まで上げてください。
2. 結晶構造が崩れ、粒子が不規則に動き回るようになりますが、まだ全体としてはまとまっています。
3. これが 「液体」 の状態です。形は変わりやすいですが、密度は高いままです。

実験 C: 蒸発（Evaporation）#

1. 温度を 1.2 以上 に上げてください。
2. 粒子は激しく動き回り、壁いっぱいに広がります。もはや隣の粒子との結合は無視できます。
3. これが 「気体」 です。

3. 理論：Lennard-Jonesポテンシャル#

このシミュレーションで粒子間に働いている力は、以下のシンプルな式で表されます。

$V(r) = 4\epsilon \left[ \left(\frac{\sigma}{r}\right)^{12} - \left(\frac{\sigma}{r}\right)^{6} \right]$

• 第1項 $(\sigma/r)^{12}$: 斥力（反発力）。粒子同士が重なり合わないようにする力（電子雲の反発）。非常に近距離で急激に強くなります。
• 第2項 $-(\sigma/r)^6$: 引力（ファンデルワールス力）。粒子同士を引き寄せる力。

このたった2つの項のバランスだけで、現実世界の複雑な相転移現象の多くを説明できるのが、物理学の美しいところです。

4. まとめ#

このシミュレータでは、外場（ポテンシャルの谷）はありません。あるのは粒子同士の単純なルールだけです。 それにも関わらず、温度を変えるだけで「秩序ある結晶」から「無秩序なガス」まで多様な構造（創発現象）が現れました。

次回は、さらに複雑な分子（ポリマー鎖など）をつないだときに何が起こるかを見ていきましょう。