[科普中国]-无极分子

简介

分子的正负电荷中心在无电场时是重合的，没有固定的电偶极矩， 如氢气（H2）、高氯酸（HCl4），二氧化碳（CO2），氮气（N2），氧气（O2）、甲烷（CH4）、聚丙乙烯、石蜡等。

电介质定义所谓电介质，就是通常所说的由大量电中性的分子组成的绝缘体。

在静电场中平衡时：

1.内部电场强度不为零；

2.电介质表面出现极化电荷。

电介质出现极化电荷的现象，称为电介质极化。

若把电介质放入静电场中，电介质原子中的电子和原子核在电场力的作用下，在原子范围内作微观的相对位移。在外电场中电介质要受到电场的影响，同时也影响外电场。

分类电介质可分为无极分子和有极分子。1

无极分子和有极分子的区别有极分子：分子的正负电荷中心在无电场时不重合的，有固定的电偶极矩， 如H2O、HCl、 CO、SO2、环氧树脂、陶瓷等。

有极分子的等效电偶极矩：

整个电介质可以看成是无数的点偶极子的聚集体。虽然每个分子的等效点偶极矩不为零，但不管从电介质整体来看，还是从电解质的某一小体积来看，电解质是呈中性的。

无极分子：分子的正电荷中心与负电荷中心重合。

无极分子的等效电偶极矩：

无极分子电介质整体也是呈中性的。

电介质的极化无极分子的位移极化加上外电场后，在电场力作用下电介质分子的正负电荷中心不再重合，形成一个电偶极子，它们的等效电偶极矩P的方向都沿着电场的方向。

电介质的两个和外电场强度 相垂直的表面层里，将分别出现正电荷和负电荷。这些电荷不能离开介质，也不能在电介质中自有移动，我们称之为极化电荷。这种在外电场作用下，在电介质中出现极化电荷的现象叫做电介质的极化。

由于无极分子的极化在于正、负电荷中心的相对位移，所以常叫做位移极化。

有极分子的取向极化无外电场时，有极分子电偶极矩取向不同，整个介质不带电。

在外电场中有极分子的固有电矩要受到一个力矩作用，电矩方向转向和外电场方向趋于一致。

有极分子的极化就是等效电偶极子转向外电场的方向，所以叫做取向极化。

一般来说，分子在取向极化的同时还会产生位移极化，但是，对于有极分子电介质来说，在静电场作用下，取向极化的效应比位移极化的效应强得多，所以有极分子的极化机理是取向极化。

上面从分子的结构出发，说明了两类不同的电介质的极化过程，这两类电介质极化的微观过程虽然不同，但宏观的效果却是相同的，都是在电介质的两个相对表面上出现了异号的极化电荷，在电介质内部有沿电场方向的电偶极矩。

无极分子之间的色散力组成物质的分子可分为有极分子和无极分子。有极分子中，正负电荷的“中心”不集中在一点，因此形成一对距离很近的等值异号电荷所构成的等效电偶极子，其固有的电偶极矩为p=ql，电偶极子所产生的电场完全由它们的电偶极矩p决定。电偶极子在外电场中所受到的作用力也决定于它的电偶极矩。无极分子中，正负电荷的“中心”集中在一点，因此，分子的电偶极矩为零，对外也不产生电场。在有外电场的情况下，无论是有极分子或是无极分子，都会产生电极化现象，并存在电偶极矩之间的相互作用力。

对无极分子及惰性气体而言，原子结晶体的结合力为共价键，共价键是决定物质分子化学性质的主要因素。分子晶体的结合力是范德瓦耳斯力，对无极分子来说就是色散力，按照伦敦提出的范德瓦耳斯力的量子理论，无极分子的电子云分布是球形对称的，固有电矩为零。因此，它们之间的相互作用能亦为零。这徉无极分子之间似乎就不存在什么作用，但实际不然，例如室温下漠是液体，碘、蔡是固体，H2、02、N2等无极分子在低温下也会被液化或固化，这些物质能维持某种聚集状态，说明无极分子之间存在着一种相互作用力，这种力就是色散力。

虽然无极分子电子云是球形对称分布，不显示出固有电矩，这不过表示在原子核外的四周出现电子的概率相等，即在某段时间内,电偶极矩的统计平均值等于零。但由于每个分子中的电子不断运动和原子核的不断振动，经常发生电子云和原子核之间的瞬时相对位移，使分子的正、负电荷“中心”暂时不重合，产生瞬时偶极矩，而且两个瞬时偶极矩必然是采取异极相邻的状态，这些瞬时偶极矩可以相互作用，相互极化而产生吸引力，这种吸引力如果用带电粒子的线谐振子代表瞬时偶极矩,用量子力学可以证明：2

1)两振子无相互作用时，即当两个谐振子平衡点(正电荷所处位置)之间的距离时，系统的能量为

2)两振子有相互作用时，系统的能量为

比较1)、2)式可以看出，两振子相互作用后,能量降低了，降低的数值为：

其中a为极化系数,，h为普朗克常数，v0为振子的振动频率。两振子才能相互作用，表现出它们之间的吸引力。因为它与v0有关，故称为色散力。无极性物质分子之间正是由于色散力的作用才能凝聚为液体，凝固为固体。因此，色散力是决定无极性分子物质物理性质的主要因素。

从上面分析中知道，无论在哪种情况下，由于无极分子瞬时偶极矩的产生，它所具有的电势能、排斥能都大于吸引能按照能量最小原理，即原子中每一个电子都有一个趋势，占据能量最低的能级，当原子中电子的能量最小时，整个原子的能量最低，原子即处于稳定状态。因为能量最小原理具有普遍意义，当原子与原子、离子与离子、分子与分子结合时，同样遵循这一原理，所以，分子具有的吸引能(W)的概率大于它所具有的排斥能的概率。正因为无极分子之间具有最小的吸引能，即最小结合能，所以无极分子可以结合成分子晶体。3