Poisson-Boltzmann方程的近似解析解及其在胶体静电稳定性中的应用

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Poisson-Boltzmann(PB)方程在带电胶体的稳定性等物理现象中发挥着至关重要作用。但PB方程的非线性性使得其精确解析解很难获得。其数值求解虽然简单可行,却难以据此来解释其中的物理含义。因此,获得较高精度的近似解析解就显得尤为必要。  本文主要致力于应用同伦摄动法、最小二乘法、高电势近似及一种扩展的德拜休克尔近似等三种不同的方法求解一般电解质溶液中平板、圆柱、球形胶粒的PB方程的近似解析解。通过对得到的近似分析解与“精确”数值解进行精度检验和误差分析,并以此来分析和比较不同方法近似求解的应用范围。利用同伦摄动法及最小二乘法得到了满足较小胶粒尺寸(x0≤0.5),较小表面电势(y0≤7.5)的近似解析解。利用高电势近似法获得了更适合生产生活的较高电势(y0≥10.0)的解。从而获得了满足大多数物理情形下的近似解析解。  随后,根据得到的电势分布函数,讨论胶粒的面电荷密度、面自由能密度、吸附系数随溶液参数的变化。本文对反胶束球形粒子在一般电解质中的非线性PB方程也进行了研究和分析。最后应用胶体科学中著名的DLVO理论,对两个具有相同电势的平板胶粒在普遍电解质中溶液中的相互作用作了简单计算,并简单讨论了胶体间相互作用的稳定性。
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