电子极化
在外加电场的影响下,由于电子对它相关原子核的位移所引起的极化
电子极化(electron polarization)是指在外加电场的影响下,由于电子对它相关原子核的位移所引起的极化。
极化概念
一般在不加电场的情况下。构成电介质的原子或分子中的正负电荷重心重合,宏观上不显电性。当把电介质置于电场中时,原子或分子中的正电荷顺着电场方向移动,负电荷逆着电场方向移动,使正负电荷的重心分离。便在电介质中形成了感应偶极矩。一般把这种现象称为原子或分子极化。上图《原子或分子极化》所示表示了在外施电场作用下电介质中的原子或分子中正、负电荷的这种分布状态。图中电介质两个表面所积累的正负电荷称为极化电荷。如设电介质表面积为A,厚度为d,极化电荷面密度为σ',则电介质两个表面积累的正、负电荷所形成的感应偶极矩:
方向由负电荷指正电荷,单位为C·m(库仑·米)或D(德拜,1D=3.33 × 10-30C·m),由于这个物理量与电介质的几何参数有关,用它来表示电介质极化的大小并不十分方便。为此,引入一个新的物理量——极化强度,它的具体含义是电介质单位体积中电偶极矩的向量和,如用P表示极化强度,则:
式中,ΔV=Ad 为电介质的体积。
依据原子或分子在静电场中的分布,极化主要可以分成以下三类:电子极化、原子极化、偶极子极化。在下表中表示了这三种极化的模型图。
电子极化和原子极化都是电场作用下正、负电荷发生相对位移产生的.所以称为位移极化。偶极子极化是由于电场作用下固有偶极子发生转向形成的,所以又称为转向极化。
机理
如果材料受到一个外电场E的作用,原子核和电子云的正、负电荷沿相反方向发生位移,从而产生极化。这样,原子就成为一个暂时的或者感应的偶极子。所有的材料,不论其固态下为何种类型的键合,都能发生这种极化。如果去掉外加电场,极化随之消失。由于外施电场而产生偶极矩称为感应偶极矩(induced dipole moment)。在这种形式的极化中,电场使正、负电荷相互分离的作用力与由于正、负电荷间互相吸引的库仑引力(束缚力)相互平衡而产生偶极矩。这两种力都是电作用力,具有与温度无关的特点。
率的计算
在上图《电子极化》中给出了电子极化模型。在不加电场的情况下,原子序数为Z的原子中的电子云在半径为R的球内均匀分布,电子云的负电荷重心与原子核的正电荷重心重合,不显电性。加电场E后,假定电子云分布不变,只是与原子核产生相对位移r,这种情况下,作用在原子核上的力有两个:一个是电场力ZeEi;另一个是半径为r的球内所容纳电子电荷与原子核的电荷Ze间的库仑力。二者平衡时,下式成立:
式中,Ei为作用在电子上的电场强度。由于它有别于外施电场强度E,所以把它称为内电场强度,一般用Ei表示。整理上式得半径r:
根据感应偶极矩μ的定义,可得:
由上式可知,感应偶极矩与电场强度Ei成正比,所以可将上式改写为:
式中,αe称为电子极化率,它表示在单位电场强度作用下,每个分子或原子在电场Ei方向感应的偶极矩。
比较以上两式,易知:
参考资料
最新修订时间:2024-03-03 17:05
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