Polaryzowalność

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania

Polaryzowalność – wielkość fizyczna opisująca zdolność rozkładu ładunku cząsteczki (bądź atomu) do odkształcania się pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego i tworzenia w ten sposób dipoli elektrycznych, co makroskopowo prowadzi do polaryzacji dielektryka.

Na ogół pod tym pojęciem rozumie się dipolową polaryzowalność elektronową, opisującą pojawianie się indukowanego elektrycznego momentu dipolowego pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego[1].

Definicja i jednostki[edytuj | edytuj kod]

W substancji izotropowej polaryzowalność definiuje się jako współczynnik proporcjonalności między natężeniem zewnętrznego pola elektrycznego a indukowanym przez to pole momentem dipolowym

\mu = \alpha \cdot E

gdzie

α – polaryzowalność,
μ – elektryczny moment dipolowy,
E – natężenie zewnętrznego pola elektrycznego.

W ogólnym przypadku ciała mającego trwały moment dipolowy \mu_0 zależność ta ma postać

\mu = \mu_0 + \alpha \cdot E

W jednostkach SI polaryzowalność wyraża się w C·m2·V-1 = A2·s4·kg-1, ale częściej stosuje się jednostki objętości cm3 lub Å3 = 10-24 cm3.

Przeliczenia pomiędzy tymi systemami jednostek można dokonać w sposób następujący:

\alpha \operatorname{(cm^3) = } \frac{10^6}{ 4 \pi \varepsilon _0 }\alpha \operatorname{(C \cdot m^2 \cdot V^{-1})}

gdzie \varepsilon _0 jest przenikalnością elektryczną próżni.

Polaryzowalność jako tensor[edytuj | edytuj kod]

W przypadku cząsteczki indukowany moment dipolowy nie jest, w ogólności, równoległy do natężenia pola elektrycznego, dlatego też polaryzowalność nie jest wielkością skalarną, a tensorową. (Dla atomu, który jest izotropowy, polaryzowalność jest wielkością skalarną.) Gdy cząsteczka ma symetrię wielościanu foremnego, tensor ma wszystkie składowe na przekątnej równe sobie, a wszystkie składowe poza przekątną równe zero. Sytuacja taka zachodzi gdy cząsteczka ma symetrię tetraedru (jak np. metan), oktaedru (jak np. sześciofluorek siarki)) lub ikosaedru (jak np. fuleren C_{60}).

Nieliniowe polaryzowalności[edytuj | edytuj kod]

Dla pól o dużym natężeniu przybliżenie liniowe nie jest wystarczające, trzeba uzupełnić je o kolejne wyrazy, definiując pierwszą hiperpolaryzowalność (współczynnik przy członie kwadratowym rozwinięcia) i wyższe hiperpolaryzowalności. Właściwości te odpowiadają między innymi za zjawiska takie jak generacja drugiej harmonicznej i generacja trzeciej harmonicznej oraz efekt Kerra.

Dyspersja polaryzowalności[edytuj | edytuj kod]

W przypadku pola elektrycznego zmiennego w czasie (jak w promieniowaniu elektromagnetycznym), polaryzowalność zależy od częstości drgań pola. Efekt ten nosi nazwę dyspersji polaryzowalności.

Polaryzowalność elektronowa[edytuj | edytuj kod]

Mikroskopowo, polaryzowalność wynika przede wszystkim ze zdolności do przemieszczania się elektronów względem jąder atomów w polu elektrycznym (wkład pochodzący od przemieszczania się jąder jest niewielki). Jest ona tym większa, im słabiej są związane ze szkieletem zrębów atomowych elektrony walencyjne, mające największy wkład do polaryzowalności, czyli im bardziej są ruchliwe te elektrony w cząsteczce.

Polaryzowalność może być odnoszona do wszystkich elektronów należących do cząsteczki, lub tylko do tych, które tworzą określone wiązanie chemiczne. W tym drugim przypadku polaryzowalność nie jest zdefiniowana ściśle, ale można ją traktować jako miarę zdolności wiązań chemicznych do wymuszonej polaryzacji.

Polaryzowalność a widmo Ramana[edytuj | edytuj kod]

Polaryzowalność elektronowa (α) zmienia się podczas ruchów jąder, zatem jest funkcją współrzędnej normalnej drgania (q):

\alpha=f(q)\, ,

a także współrzędnej obrotu cząsteczki. Fakt ten ma konsekwencje w postaci pojawienia się widma rozproszeniowego Ramana, odpowiednio oscylacyjnego i rotacyjnego.

Polaryzowalność a wielkości makroskopowe[edytuj | edytuj kod]

Makroskopowo, polaryzowalność wiąże się z przenikalnością elektryczną, a także ze współczynnikiem załamania.

Przypisy

  1. definiuje się też polaryzowalność dipol magnetyczny-dipol elektryczny, opisującą pojawianie się indukowanego momentu dipolowego magnetycznego pod wpływem zmiennego w czasie zewnętrznego pola elektrycznego oraz polaryzowalność dipol elektryczny-kwadrupol elektryczny, opisującą pojawianie się indukowanego momentu kwadrupolowego elektrycznego pod wpływem niejednorodnego zewnętrznego pola elektrycznego