Polarizovatelnost - Polarizability

Polarizovatelnost obvykle odkazuje na tendenci hmoty, když je vystavena elektrickému poli , získat elektrický dipólový moment v poměru k danému použitému poli. Je to vlastnost veškeré hmoty, jelikož hmotu tvoří elementární částice, které mají elektrický náboj, a to protony a elektrony . Když jsou vystaveni elektrickému poli, jsou záporně nabité elektrony a kladně nabitá atomová jádra vystaveny opačným silám a procházejí separací nábojů . Polarizovatelnost je zodpovědná za dielektrickou konstantu materiálu a při vysokých (optických) frekvencích za jeho index lomu .

Polarizovatelnost atomu nebo molekuly je definována jako poměr jeho indukovaného dipólového momentu k místnímu elektrickému poli; v krystalické pevné látce se uvažuje dipólový moment na jednotku buňky . Všimněte si, že lokální elektrické pole viděné molekulou se obecně liší od makroskopického elektrického pole, které by bylo měřeno externě. Tuto odchylku zohledňuje Clausius-Mossottiho vztah (níže), který spojuje hromadné chování ( hustota polarizace v důsledku vnějšího elektrického pole podle elektrické susceptibility ) s molekulární polarizovatelností v důsledku místního pole.

Magnetická polarizovatelnost se rovněž týká tendence k tomu, aby se magnetický dipólový moment objevil v poměru k vnějšímu magnetickému poli . Elektrické a magnetické polarizovatelnosti určují dynamickou odezvu vázaného systému (například molekuly nebo krystalu) na vnější pole a poskytují přehled o vnitřní struktuře molekuly. „Polarizovatelnost“ by neměla být zaměňována s vnitřním magnetickým nebo elektrickým dipólovým momentem atomu, molekuly nebo objemové látky; tyto nezávisí na přítomnosti externího pole.

Elektrická polarizovatelnost

Definice

Elektrické polarizovatelnost je relativní sklon distribuce náboje, stejně jako elektronový oblak z k atomu nebo molekuly , které mají být zkreslené ze svého normálního tvaru vnějším elektrickým polem .

Polarizovatelnost v izotropním prostředí je definována jako poměr indukovaného dipólového momentu atomu k elektrickému poli, které tento dipólový moment produkuje.

Polarizovatelnost má jednotky SI C · m 2 · V −1 = A 2 · s 4 · kg −1, zatímco jeho cgs jednotka je cm 3 . Obvykle se vyjadřuje v jednotkách cgs jako takzvaný objem polarizovatelnosti, někdy vyjádřený v Å 3 = 10 −24 cm 3 . Z jednotek SI ( ) na jednotky cgs ( ) lze převádět následujícím způsobem:

≃ 8 988 × 10 15 ×

kde je vakuová permitivita ~ 8 854 × 10 −12 (F / m). Pokud je objem polarizovatelnosti v jednotkách cgs označen, lze vztah vyjádřit obecně (v SI) jako .

Polarizovatelnost jednotlivých částic souvisí s průměrnou elektrickou citlivostí média vztahem Clausius-Mossotti :

kde R = molární refrakce , = Avogadrovo číslo, = elektronická polarizovatelnost, p = hustota molekul, M = molární hmotnost a je relativní permitivitou materiálu nebo dielektrickou konstantou (nebo v optice druhou mocninou indexu lomu ).

Polarizovatelnost pro anizotropní nebo nesférická média nelze obecně vyjádřit jako skalární veličinu. Definování jako skalární znamená, že aplikované elektrické pole může indukovat pouze polarizační složky rovnoběžné s polem a že směry a reagují stejným způsobem na aplikované elektrické pole. Například elektrické pole ve směru - může produkovat pouze komponentu v a pokud by bylo ve stejném směru aplikováno stejné elektrické pole, indukovaná polarizace by měla stejnou velikost, ale objevila by se ve složce . Mnoho krystalických materiálů má směry, které se snadněji polarizují než jiné, a některé se dokonce polarizují ve směrech kolmých k aplikovanému elektrickému poli a totéž se děje s nesférickými tělesy. Některé molekuly a materiály s tímto druhem anizotropie jsou opticky aktivní nebo vykazují lineární dvojlom světla.

Tenzor

Pro popis anizotropních médií je definován polarizovatelný stupeň dva tenzory nebo matice ,

Prvky popisující odezvu rovnoběžně s aplikovaným elektrickým polem jsou prvky podél úhlopříčky. Velká hodnota zde znamená, že elektrické pole aplikované ve směru by silně polarizovalo materiál ve směru. Pro homogenní anizotropní elipsoidní tělesa byly uvedeny výslovné výrazy .

Aplikace v krystalografii

Matici nahoře lze použít s rovnicí molární refraktivity a dalšími daty k vytvoření dat hustoty pro krystalografii. Každé měření polarizovatelnosti spolu s indexem lomu spojeným s jeho směrem povede k hustotě specifické pro směr, kterou lze použít k vývoji přesného trojrozměrného hodnocení stohování molekul v krystalu. Tento vztah poprvé pozoroval Linus Pauling.

Tendence

Obecně se polarizovatelnost zvyšuje s rostoucím objemem obsazeným elektrony. U atomů k tomu dochází, protože větší atomy mají volněji držené elektrony na rozdíl od menších atomů s pevně vázanými elektrony. Na řádcích periodické tabulky proto polarizovatelnost klesá zleva doprava. Polarizovatelnost se zvyšuje na sloupcích periodické tabulky. Stejně tak jsou větší molekuly obecně polarizovatelnější než menší.

Voda je velmi polární molekula, ale alkany a další hydrofobní molekuly jsou polarizovatelnější. Voda s permanentním dipólem je méně pravděpodobné, že změní tvar kvůli vnějšímu elektrickému poli. Alkany jsou nejvíce polarizovatelné molekuly. Ačkoli se očekává, že alkeny a areny budou mít větší polarizovatelnost než alkany kvůli své vyšší reaktivitě ve srovnání s alkany, alkany jsou ve skutečnosti polarizovatelnější. To má za následek více elektronegativní sp 2 uhlíky alkenu a arenu na méně elektronegativní sp 3 uhlíky alkanu .

Konfigurační modely elektronů v základním stavu jsou často nedostatečné při studiu polarizovatelnosti vazeb, protože v reakci dochází k dramatickým změnám v molekulární struktuře.

Magnetická polarizovatelnost

Magnetická polarizovatelnost definovaná spinovými interakcemi nukleonů je důležitým parametrem deuteronů a hadronů . Zejména měření polarizovatelnosti tenzorů nukleonů poskytuje důležité informace o spinově závislých jaderných silách.

Metoda spinových amplitud využívá formalizmus kvantové mechaniky ke snadnějšímu popisu dynamiky rotace. Vektorová a tenzorová polarizace částice / jádra se spinem S ≥ 1 jsou specifikovány jednotkovým polarizačním vektorem a polarizačním tenzorem P ' . Dodatečné tenzory složené z produktů o třech nebo více rotace matic jsou potřebné pouze za vyčerpávající popis polarizace částic / jader se spinem S3 / 2 .

Viz také

Reference