Поляризуемость атомов, ионов и молекул. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Поляризуемость частиц, атомов, ионов и молекул - способность этих частиц приобретать электрич. дипольный момент p в электрич. поле Е. В электрич. поле заряды, входящие в состав атомов (молекул, ионов), смещаются один относительно другого - у частицы появляется индуцированный дипольный момент, который исчезает при выключении поля.

Понятие поляризуемости, как правило, не относят к частицам, обладающим постоянным дипольным моментом (напр., к полярным молекулам). В относительно слабых электрич. полях

коэф.

также наз. Поляризуемость, он является её количеств. мерой (имеет размерность объёма). Для атомных систем, напр. некоторых молекул, поляризуемость может быть анизотропной. В этом случае зависимость

более сложная:

В сильных электрич. полях зависимость р(Е)перестаёт быть линейной.

Для изолированной i-й частицы (напр., молекулы разреженного газа) значение напряжённости поля

(поля в месте нахождения частицы) совпадает с напряжённостью внеш. поля

Для частиц жидкости или кристалла к

добавляется

- поле, создаваемое зарядами др. частиц, окружающих данную (локальное поле).

При включении поля момент p появляется не мгновенно; время установления p для каждого типа частиц различно в зависимости от их физ. природы и характеризуется временем релаксации

Наибольшее применение понятие поляризуемости получило в физике диэлектриков. Здесь оно определяет поляризацию среды Р, диэлектрич. восприимчивость

диэлектрич. проницаемость

В простейшем случае

(сумма берётся по всем N частицам в единице объёма). Понятие поляризуемости используется в физике молекул и физической химии. Результаты измерений

P и оптических характеристик среды всегда содержат информацию о поляризуемости составляющих её частиц.

Случаю статич. поля E отвечает статич. значение Поляризуемости, являющееся одной из важных индивидуальных характеристик частиц. В перем. поле E (напр., в простейшем случае гармонич. зависимости E от времени) поляризуемость зависит от частоты

колебаний поля и её удобно представить в виде комплексной величины:

Конкретный характер поведения Поляризуемости в таком поле зависит прежде всего от времени релаксации

При достаточно низких частотах

и коротких

момент p устанавливается практически синфазно с изменением поля. При очень высоких

или больших

момент p может вообще не возникать; частица "не чувствует" присутствия поля, поляризуемость отсутствует. В промежуточных случаях (особенно при

) наблюдаются явления дисперсии и поглощения и зависимость

носит чётко выраженный и иногда весьма сложный характер.

Виды поляризуемости

Электронная поляризуемость

обусловлена смещением в поле E электронных оболочек относительно атомных ядер. Величина

для атомов и ионов порядка их объёма

с. Электронная поляризуемость имеет место во всех атомах и атомных системах, но в ряде случаев может маскироваться из-за малой величины другими, более сильными видами поляризуемости.

Ионная поляризуемость

в ионных кристаллах обусловлена упругим смещением в поле E разноимённых ионов из их положений равновесия в противоположных друг относительно друга направлениях. В простейшем случае ионных кристаллов типа NaCl величина

где

- массы ионов,

- их заряд,

-собств. частота упругих колебаний ионов кристалла (оп-тич. ветвь),

- частота внеш. поля (для статич. поля

= 0). Время релаксации

с (частота релаксации

лежит в ИК-области спектра).

Атомная поляризуемость

молекул обусловлена смещением в поле E атомов разного типа в молекуле (что связано с несимметричным распределением в молекуле электронной плотности). Этот вид поляризуемости обычно составляет

Иногда, атомной Поляризуемостью называют также Поляризуемость, связанную со смещением электронов, обеспечивающих ковалентные связи в кристаллах типа алмаза (Ge, Si). Температурная зависимость всех этих видов поляризуемости, особенно

слабая (с ростом Т поляризуемость несколько уменьшается).

В физике диэлектриков все виды поляризации связывают с тем или иным видом поляризуемости. Помимо перечисленных здесь вводятся и др. виды поляризуемости, наиболее важные из них - ориентационная и релаксационная. Характерная особенность этих видов поляризуемости - резкая зависимость от температуры, что позволяет выделить их при эксперим. определениях.

Ориентационная поляризуемость

вводится для полярных диэлектриков (газов, жидкостей), состоящих из молекул с пост. дипольными моментами, а также и для кристаллов, в которых дипольные моменты могут поворачиваться. Если диэлектрик состоит из одинаковых молекул, имеющих пост, дипольный момент р₀, то ориентационная поляризуемость

определяется как ср. значение поляризации P =

отнесённое к одной молекуле (p₀E_i -проекция момента

молекулы на направление поля Е), т. е.

Ориентация

в поле E нарушается тепловым движением, поэтому

сильно зависит от температуры:

вводится обычно для ионных кристаллов, где у слабо связанных ионов имеются два (или более) равновесных положения, которые в поле E становятся неравновероятными, что приводит к появлению поляризации среды и, следовательно, к возможности ввести среднюю (на ион) Поляризуемость. Расчёт (подтверждаемый опытом) даёт:

где Ь - расстояние между равновесными положениями ионов.

Для этих видов поляризуемости значения

лежат в широком диапазоне

и сильно зависят от температуры и др. внеш. условий. В случае переменных полей

зависят от частоты внеш. поля так же, как др. виды 11. При рассмотрении поляризации гетерогенных диэлектриков понятие поляризуемости обычно не используется.

В литературе по физике диэлектриков Поляризуемость иногда наз. коэф. пропорциональности

между P и E (P =

E), т. е. диэлектрич. восприимчивость.

Для относительно простых систем связь между электронной Поляризуемости и макроскопич. характеристиками вещества описывается Лоренца - Лоренца формулой или Клаузиуса - Моссотти формулой, а с учётом- Ланжевепа - Дебая формулой и их усложнёнными модификациями. Эти зависимости - основа для эксиерим. определения

Ионную Поляризуемость определяют по формулам типа (2). Сопоставление опытных и теоретич. данных для поглощения и дисперсии электромагнитн. волн, диэлектрич. потерь и т. д. даёт информацию как о Поляризуемости, так и о ходе её изменений с частотой внеш. поля. Свойства (и эффекты, в которых они проявляются) многих молекул и их систем (в частности, анизотропные) часто обусловлены их Поляризуемостью и Поляризуемостью составляющих их частиц. Примерами таких свойств и эффектов являются поляризация и рассеяние (в т. ч. комбинационное) света, оптич. активность, эффект Керра и т. д. Изучение Поляризуемости и её теория тесно связаны с исследованием межмолекулярных взаимодействий, структуры молекул, особенно таких сложных, как полимеры, в частности белки.

Знаете ли Вы, что, как ни тужатся релятивисты, CMB (космическое микроволновое излучение) - прямое доказательство существования эфира, системы абсолютного отсчета в космосе, и, следовательно, опровержение Пуанкаре-эйнштейновского релятивизма, утверждающего, что все ИСО равноправны, а эфира нет. Это фоновое излучение пространства имеет свою абсолютную систему отсчета, а значит никакого релятивизма быть не может. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.