[科普中国]-电子极化

电子极化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。1

极化概念简介

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或德拜（1德拜等于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、原子极化和偶极子极化。在下表中表示了这三种极化的模型图。2

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。

电子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。3

电子极化率的计算

在上图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。比较上两式易知：2

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所