34. Электрическая поляризуемость молекул

Одним из важнейших методов молекулярной физики является определение электрического момента отдельных молекул путем измерения электрической поляризуемости.

В молекуле, находящейся в электрическом поле, индуцируется электрический момент, в первом приближении пропорциональный напряженности поля Е. Коэфицнент пропорциональности а называют электрической поляризуемостью.

Поляризуемость молекулы составляется обычно, из двух частей. Первая образуется вследствие того, что молекула состоит из отрицательных электронов и положительных ядер, на которые в поле действуют противоположно направленные силы. Центры тяжести положительных и отрицательных зарядов смещаются полем друг относительно друга; молекула поляризуется. Поляризационным силам противодействуют внутренние силы между электронами и ядрами, стремящиеся

сохранить первоначальную структуру молекулы. Под влиянием этих двух противоположных сил молекула получает пропорциональный электрическому полю момент Величина этого момента зависит в общем случае от ориентации молекулы в направлении поля. В молекуле имеются направления более сильной и более слабой поляризуемости. Так как в газе молекулы имеют всевозможные направления, то наблюдается только среднее значение, которое мы обозначим через Величина представляет собой независящее от температуры свойство молекулы. Этот вид поляризуемости называется "деформационной поляризацией, так как она соответствует частичному изменению структуры молекулы, именно — сдвигу положительных ядер по отношению к отрицательным электронам.

Кроме того, во многих молекулах существует второй вид поляризуемости, так называемая "поляризация ориентации". Многие молекулы и в отсутствии электрического поля обладают постоянным электрическим моментом Например, все молекулы, состоящие, подобно из ионов противоположных знаков, обладают моментом, равным просто произведению заряда на расстояние между ионами. Но и гомеополярные двухатомные молекулы обычно имеют электрический момент. Исключение составляют, конечно, молекулы с одинаковыми атомами, у которых из. соображений симметрии он отсутствует. Многоатомные молекулы также обладают постоянным электрическим моментом, когда это совместимо с условиями симметрии. Молекулы, обладающие таким моментом, называются полярными.

Когда такая молекула находится в электрическом поле, постияньый момент стремится установиться в направлении поля. Этим ориентирующим силам противодействует тепловое движение, стремящееся создать беспорядочное распределение молекул по всем возможным направлениям, В тепловом равновесии электрический момент чаще принимает направление поля, чем противоположное. Средняя величина проекции момента на направление поля поэтому отлична от нуля, т. е. газ поляризован.

В то время как поляризация деформации независима от

температуры, поляризация ориентации, при неизменной силе поля, с повышением температуры падает. Это происходит потому, что с повышением температуры усиливается тепловое движение, противодействующее установлению для моментов определенной ориентации.

Теория поляризации ориентации очень сходна с ланжевеновской теорией парамагнетизма. Она дает для температур, при которых можно не учитывать квантование вращательного движения, величину поляризации, равную:

т. е. поляризация ориентации обратно пропорциональна абсолютной температуре. К аналогичному результату приводит и квантово-механический расчет.

Суммарная поляризуемость а равна сумме деформационной и ориентационной частей:

Для газа можно пренебречь взаимным влиянием молекул. Отсюда диэлектрическая восприимчивость равна произведению поляризуемости а отдельной молекулы на число молекул, содержащихся в единице объема. Поэтому диэлектрическая постоянная равна:

В случае жидкости взаимным возмущением молекул пренебречь нельзя. Однако во многих случаях можно учесть влияние соседних молекул упрощенным способом и получить, таким образом, для поляризуемости отдельной молекулы формулу Клаузиуса-Мозотти: