Поляризуемость

Поляризуемость

Поляризуемость

Определение 1

Поляризация – это процесс электростатического воздействия на частицу, в результате которого происходит смещение в ней электрических зарядов.

Процесс поляризации включает в себя с одной стороны поляризующее действие ионов, с другой – поляризуемость.

  1. Поляризующее действие катиона. Зависит от электронной структуры иона, величины заряда и радиуса. Поляризующее действие будет тем значительнее, чем меньше радиус, главное квантовое число внешних электронных орбиталей и больше величина заряда.

    Например: сильное поляризующее действие характерно катионам первых рядов Периодической системы.

  2. Поляризуемость анионов. Зависит от тех же факторов, что и поляризующее действие катионов. Чем больше у аниона радиус и заряд, тем сильнее он поляризуется.

Поляризующее действие катиона заключается в оттягивании на себя электронного облака от аниона. В результате степень ковалентности увеличивается, ионность связи уменьшается, то есть связь становится ковалентной полярной.

Поляризация ионов по своему эффекту противоположна поляризации ковалентной связи.

Поляризуемость и ее свойства

Определение 2

Поляризуемость – способность вещества приобретать электрический дипольный момент под действием внешнего электрического поля. Это способность к деформации электронного облака частицы под действием электростатического поля другого иона. Поляризующее действие иона будет определять напряженность этого поля.

Поляризуемость характеризует способность молекулы становиться полярной в результате действия внешнего электрического поля. Соединение поляризуется также при действии молекул друг на друга, например, во время химических реакций.

Результатом поляризации может стать полный разрыв связи. При этом осуществляется переход связывающей электронной пары к одному из атомов и образуются разноименные ионы. Ассиметричный разрыв связи с образованием таких ионов называется гетеролитическим:

Рисунок 1.

Поляризуемость может быть вызвана:

  • смещением электронов или атомных ядер под действием электрического поля;
  • изменением геометрии молекулы;
  • поворотом молекулы;
  • смещением иона в соседнюю свободную кристаллографическую позицию (поляризуемость Сканави) и др.

Поляризуемость ионов зависит от электронной структуры иона, его заряда и размера. В каждой подгруппе периодической системы поляризуемость ионов элементов растет с увеличением их порядкового номера.

Поляризующее действие ионов тем значительнее, чем:

  • устойчивее электронная оболочка иона;
  • больше заряд;
  • меньше радиус иона.

Поляризуемость возрастает:

  • при увеличении размеров молекулы (атома);
  • с возрастанием атомного номера;
  • увеличении легкости возбуждения атома.

Например: Октан более поляризуем, чем гексан, так как имеет больше электронов. Но гексадиен тоже будет более поляризуем, чем гексан, что связано с наличием у гексадиена подвижных $\pi $-электроны. А $\pi $-электроны более чувствительны к изменению электрического поля, чем $\sigma $-электроны.

Поляризуемость влияет на:

  • кислотность и основность молекул в газовой фазе;
  • жесткость кислот и оснований Льюиса;
  • скорость нуклеофильного замещения.

Расчет поляризуемости молекул

Поляризация проявляется в возникновении индуцированного дипольного момента $\mu_{инд}$; у частиц (в результате смещения электронов и ядер).

Индуцированный дипольный момент является пропорциональным напряженности внешнего электрического поля:

$\mu_{инд} = \alpha \cdot \varepsilon_0 \cdot Е$,

где $\mu_инд$ – индуцированный дипольный момент, Д;

$\alpha $ — коэффициент пропорциональности — поляризуемость частицы, $\frac{Кл \cdot f {м2}}{B}$;

$E$ — напряженность электрического поля, $B$.

Для ионов поляризуемость пропорциональна кубу их радиуса.

В электрическом поле у полярной молекулы с постоянным дипольным моментом появляется еще индуцированный дипольный момент. Тогда учитывается суммарная относительная диэлектрическая проницаемость. Это выражается уравнением Дебая:

$N(\frac{\alpha + \mu2}{3\varepsilon_0kT})=3(\varepsilon-1)(\varepsilon+2)$,

где $N$ – число молекул в единице объема образца;

$\alpha $ – поляризуемость молекулы;

$\varepsilon_0$ – постоянный дипольный момент молекулы;

$k$ – постоянная Больцмана;

$T$ – абсолютная температура.

Если построить график зависимости правой части этого уравнения от $\frac{1}{T}$, то

можно определить $\frac{\mu2}{3\varepsilon_0k}$ и , следовательно, постоянный дипольный момент молекулы. Поляризуемость определяется по отрезку, отсекаемому на оси ординат при $\frac{1}{T} = 0$.

При очень высоких температурах диполь вращается так быстро, что его величина обнуляется и остается только индуцированный диполь. Он располагается в направлении индуцирующего его поля и может сохраняться при самых высоких температурах.

Влияние поляризации на свойства веществ

Поляризуемость может объяснить некоторые особенности свойств веществ:

  1. Растворимость.

    Например: хлорид серебра $AgCl$ растворяется в воде намного хуже, чем хлорид натрия $NaCl$ или хлорид калия $KCl$.

    Радиус иона серебра $Ag+$ соизмерим с радиусами ионов натрия $Na+$ и калия $К+$, но поляризуемость иона серебра гораздо больше (он имеет $18$ электронов на внешнем уровне), чем ионов натрия и калия.

    Поэтому межъядерное расстояние в хлориде серебра меньше, а энергия разрыва связи больше, чем в молекулах хлоридов натрия и калия.

  2. Температура плавления. Взаимная поляризация ионов способствует разрушению кристаллов. При этом понижается температура плавления, и тем больше, чем сильнее деформируется кристаллическая решетка.

    Например: В молекулах фторидов рубидия $RbF$ и титана $TiF$ радиусы катионов одинаковы, но ион титана $Ti+$ сильнее поляризуется и поэтому оказывает сильное поляризующее действие на ион фтора $F-$, чем ион рубидия $Rb+$. Температура плавления фторида рубидия составляет $798\circ C$, а т. пл. фторида титана $327\circ C$.

  3. Температура диссоциации. Процессу поляризации будет способствовать повышение температуры. При этом увеличивается амплитуда колебаний ионов, что иногда приводит к перестройке структура вещества.

    Наблюдается полиморфное превращение. При нагревании возможен и полный переход электронов от аниона к катиону — происходит термическая диссоциация вещества.

    Чем сильнее будет поляризующее действие, тем ниже температура диссоциации.

    Например: в ряду соединений данного катиона $MCl – MI$ и данного ниона $NaГ – LiГ$ температура разложения будет понижаться.

Источник: https://spravochnick.ru/himiya/vnutri-_i_mezhmolekulyarnye_vzaimodeystviya/polyarizuemost/

Электрическая поляризуемость

Электрическая поляризуемость определяется как коэффициент пропорциональности между напряжённостью приложенного электрического поля  и получающимся наведённым электрическим дипольным моментом частицы  в формуле для системы физических единиц СИ:

где  – электрическая постоянная.

Если моделировать начальную конфигурацию распределения зарядов в виде нейтральной хорошо проводящей тонкостенной пустотелой сферы, либо в виде нейтрального в целом шара, то можно показать, что  равно кубу радиуса этой сферы (шара). [1] Отсюда следует, что размерность  есть м3, совпадая с размерностью объёма.

Особенности в разных системах

Как правило, линейная зависимость между приложенным электрическим полем и возникающим дипольным моментом справедлива лишь в слабых полях, при усилении поля линейность пропадает.

В некоторых веществах направления векторов  и могут не совпадать.

В таком случае поляризуемость рассматривается уже не как скалярная величина, а как тензор второго ранга, содержащий 9 компонент в виде 33 матрицы.

При измерении дипольного момента в системе из многих частиц следует учитывать, что результирующее электрическое поле, действующее на отдельную частицу, является суммой внешнего приложенного поля и усреднённого электрического поля от остальных частиц. Последнее поле включает в себя постоянную компоненту, не зависящую от внешнего поля, и наведённую внешним полем компоненту.

Различают статическую и динамическую поляризуемости. Первая связана с приложением постоянного электрического поля, а вторая – с переменным электрическим полем.

В веществе возможны эффект задержки установления дипольного момента по отношению к началу действия электрического поля, сдвиг фазы между дипольным моментом и приложенным переменным электрическим полем, зависимость значения амплитуды поляризуемости от частоты изменения поля вплоть до уменьшения до нуля.

Соответственно, наблюдаются такие явления, как дисперсия (зависимость от частоты), а также поглощение энергии электрического поля посредством резонансного взаимодействия запаздывающего наведённого дипольного момента с полем, и посредством сдвига диполей при ориентационной поляризации.

В зависимости от исследуемых объектов измеряют:

  1. поляризуемость у отдельных элементарных частиц. Примером является значение м3 для протона. [2]
  2. электронную поляризуемость за счёт сдвига электронов в оболочках атомов.
  3. ионную поляризуемость при сдвиге в противоположных направлениях разноимённых ионов в ионных кристаллах.
  4. атомную поляризуемость вследствие смещения атомов в молекулах.

На практике измеряют обычно поляризацию среды, понимаемую как дипольный электрический момент единицы объёма среды.

Разделив поляризацию среды на концентрацию диполей, находят дипольный момент одной частицы и затем её поляризуемость в приложенном электрическом поле.

Между поляризуемостью, абсолютной диэлектрической проницаемостью и диэлектрической восприимчивостью разных сред существуют взаимосвязи, выражаемые, например, в соотношении Клаузиуса–Мосотти. [2]

Магнитная поляризуемость

Магнитная поляризуемость  определяется как коэффициент пропорциональности между индукцией приложенного магнитного поля  и наведённым дипольным магнитным моментом частицы    в формуле для системы физических единиц СИ:

где  – магнитная постоянная.

Для оценки размерности магнитной поляризуемости удобно рассмотреть дипольный магнитный момент маленькой петли с нулевым электрическим сопротивлением, возникающий при помещении её в магнитное поле за счёт эффекта электромагнитной индукции. Если радиус петли , а наведённый ток электронов , то магнитный момент будет равен .

В этом случае магнитная поляризуемость будет равна кубу радиуса петли, умноженному на отношение двух энергий – кулоновской энергии электрона в поле движущихся зарядов тока в петле, и удвоенной энергии покоя электрона. Следовательно, в обычных условиях при малых токах величина магнитной поляризуемости будет значительно меньше куба радиуса магнитного диполя, имея при этом размерность м3.

Для протона  м3, что согласуется с электрической поляризуемостью протона. [1]

Основные особенности магнитной поляризуемости повторяют особенности для электрической поляризуемости, с заменой электрических величин на соответствующие магнитные величины. По своему смыслу к магнитной поляризуемости близка магнитная восприимчивость, связывающая намагниченность (дипольный магнитный момент единицы объёма) среды и напряжённость приложенного магнитного поля.

Поляризация света для

Поляризуемость

В нашем блоге уже можно найти статьи про преломление, дисперсию и дифракцию света. Теперь пришло время поговорить о том, в чем заключается сущность поляризации света.

В самом общем смысле правильнее говорить о поляризации волн. Поляризация света, как явление, представляет собой частный случай поляризации волны. Ведь свет представляет собой электромагнитное излучение в диапазоне, воспринимаемом глазами человека.

Что такое поляризация света

Поляризация – это характеристика поперечных волн. Она описывает положение вектора колеблющейся величины в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

Если этой темы не было на лекциях в университете, то вы, вероятно, спросите: что это за колеблющаяся величина и какому направлению она перпендикулярна?

Как выглядит распространение света, если посмотреть на этот вопрос с точки зрения физики? Как, где и что колеблется, и куда при этом летит?

Электромагнитная волна

Свет – это электромагнитная волна, которая характеризуется векторами напряженности электрического поля E и вектором напряженности магнитного поля Н. Кстати, интересные факты о природе света можно узнать из нашей статьи.

Согласно теории Максвелла, световые волны поперечны. Это значит, что векторы E и H взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скорости распространения волны.

Поляризация наблюдается только на поперечных волнах.

Для описания поляризации света достаточно знать положение только одного из векторов. Обычно для этого рассматривается вектор E.

Если направления колебаний светового вектора каким-то образом упорядочены, свет называется поляризованным.

Возьмем свет на рисунке, который приведен выше. Он, безусловно, поляризован, так как вектор E колеблется в одной плоскости.

Если же вектор E колеблется в разных плоскостях с одинаковой  вероятностью, то такой свет называется естественным.

Поляризация света

Поляризация света по определению – это выделение из естественного света лучей с определенной ориентацией электрического вектора.

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Откуда берется поляризованный свет?

Свет, который мы видим вокруг себя, чаще всего неполяризован. Свет от лампочек, солнечный свет – это свет, в котором вектор напряженности колеблется во всех возможных направлениях. Но если вам по роду деятельности приходится весь день смотреть в ЖК-монитор, знайте: вы видите поляризованный свет.

Естественный, поляризованный  и частично поляризованный свет

Чтобы наблюдать явление поляризации света, нужно пропустить естественный свет через анизотропную среду, которая называется поляризатором и «отсекает» ненужные направления колебаний, оставляя какое-то одно.

Анизотропная среда – среда, имеющая разные свойства в зависимости от направления внутри этой среды.

В качестве поляризаторов используются кристаллы. Один из природных кристаллов, часто и давно применяемых в опытах по изучению поляризации света – турмалин.

Еще один способ получения поляризованного света – отражение от диэлектрика. Когда свет падает на границу раздела двух сред, луч разделяется на отраженный и преломленный.  При этом лучи являются частично поляризованными, а степень их поляризации зависит от угла падения.

Поляризация отражением

Связь между углом падения и степенью поляризации света выражается законом Брюстера.

Когда свет падает на границу раздела под углом, тангенс которого равняется относительному показателю преломления двух сред, отраженный луч является линейно поляризованным, а преломленный луч поляризован частично с преобладанием колебаний, лежащих в плоскости падения луча.

Линейно поляризованный свет – свет, который поляризован так, что вектор E колеблется только в одной определенной плоскости.

Практическое применение явления поляризации света

Поляризация света – не просто явление, которое интересно изучать. Оно широко применяется на практике.

Пример, с которым знакомы почти все – 3D-кинематограф. Еще один пример – поляризационные очки, в которых не видно бликов солнца на воде, а свет фар встречных машин не слепит водителя. Поляризационные фильтры применяются в фототехнике, а поляризация волн используется для передачи сигналов между антеннами космических аппаратов.

Фото, сделанные с применением поляризационного фильтра и без него

Поляризация – не самое сложное для понимания природное явление. Хотя если копнуть глубоко и начать основательно разбираться с физическими законами, которым она подчиняется, могут возникнуть сложности.

Чтобы не терять время и преодолеть трудности максимально быстро, обратитесь за советом и помощью к нашим авторам. Мы поможем выполнить реферат, лабораторную работу, решить контрольные задания на тему “поляризация света”.

Источник: https://Zaochnik.ru/blog/polyarizaciya-sveta-dlya-chajnikov-opredelenie-sut-yavleniya-i-sushhnost/

Ваш педагог
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: