電偶極子

實(shí)際生活多見的電偶極子體系是具有偶極矩的電介質(zhì)分子。有一類電介質(zhì)分子的正、負(fù)電荷中心不重合，自身形成電偶極子，稱為極性分子；另一類電介質(zhì)分子的正、負(fù)電荷中心重合，稱為非極性分子，但在外電場作用下，兩個電荷中心會相互偏移，所以也形成電偶極子。

電偶極子是電介質(zhì)理論和原子物理學(xué)的重要模型，研究從穩(wěn)恒到X光頻電磁場作用下電介質(zhì)的色散和吸收，以及天線的輻射等現(xiàn)象，都要用到偶極子（例如振蕩偶極子

將偶極子概念加以推廣，可有多極子，它是含有

電偶極矩

稱相距為

式中矢量

在國際單位制(SI)中，電偶極矩的量綱是

微觀物理學(xué)中常用的單位為debye，符號為D；

電偶極子產(chǎn)生的電場

中心位于坐標(biāo)系原點(diǎn)的電偶極子在其遠(yuǎn)方產(chǎn)生的電勢為：

所謂遠(yuǎn)方是指

此式求梯度，即得位于原點(diǎn)的電偶極子在遠(yuǎn)方產(chǎn)生的電場強(qiáng)度：

外電場中的電偶極子

電偶極子僅在非均勻外電場中受非零合力。其所受合力為

在外場中電偶極子還會受到力矩，

以上兩式中的電場強(qiáng)度都是指去除電偶極子自身場強(qiáng)后剩余的電場。

從第二式可以看出，

偶極子間的相互作用

如果偶極子

交變運(yùn)動中按特殊方式分布的電荷電流系統(tǒng)產(chǎn)生電磁波輻射。一種典型的裝置就是天線，天線是產(chǎn)生電磁波輻射的波源，所以天線輻射問題是電磁波輻射的基本問題。按結(jié)構(gòu)形式的不同，天線可分為線式天線和面式天線兩大類。線式天線可以看成由無限多個載有交變電流的基本小線元組成，即由電偶極子或磁偶極子組成。電偶極子是由兩個相距一定距離，帶等量異號電荷的導(dǎo)體球經(jīng)由細(xì)導(dǎo)線相連而成的系統(tǒng)。

組成物質(zhì)的分子可分為有極分子和無極分子。有極分子中，正負(fù)電荷的“中心”不集中在一點(diǎn)，因此形成一對距離很近的等值異號電荷所構(gòu)成的等效電偶極子，其固有的電偶極矩為p=ql，電偶極子所產(chǎn)生的電場完全由它們的電偶極矩p決定。電偶極子在外電場中所受到的作用力也決定于它的電偶極矩。無極分子中，正負(fù)電荷的“中心”集中在一點(diǎn)，因此，分子的電偶極矩為零，對外也不產(chǎn)生電場。在有外電場的情況下，無論是有極分子或是無極分子，都會產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，并存在電偶極矩之間的相互作用力。

對無極分子及惰性氣體而言，原子結(jié)晶體的結(jié)合力為共價鍵，共價鍵是決定物質(zhì)分子化學(xué)性質(zhì)的主要因素。分子晶體的結(jié)合力是范德瓦耳斯力，對無極分子來說就是色散力，按照倫敦提出的范德瓦耳斯力的量子理論，無極分子的電子云分布是球形對稱的，固有電矩為零。因此，它們之間的相互作用能亦為零。這徉無極分子之間似乎就不存在什么作用，但實(shí)際不然，例如室溫下漠是液體，碘、蔡是固體，H₂、0₂、N₂等無極分子在低溫下也會被液化或固化，這些物質(zhì)能維持某種聚集狀態(tài)，說明無極分子之間存在著一種相互作用力，這種力就是色散力。

雖然無極分子電子云是球形對稱分布，不顯示出固有電矩，這不過表示在原子核外的四周出現(xiàn)電子的概率相等，即在某段時間內(nèi),電偶極矩的統(tǒng)計平均值等于零。但由于每個分子中的電子不斷運(yùn)動和原子核的不斷振動，經(jīng)常發(fā)生電子云和原子核之間的瞬時相對位移，使分子的正、負(fù)電荷“中心”暫時不重合，產(chǎn)生瞬時偶極矩，而且兩個瞬時偶極矩必然是采取異極相鄰的狀態(tài)，這些瞬時偶極矩可以相互作用，相互極化而產(chǎn)生吸引力，這種吸引力如果用帶電粒子的線諧振子代表瞬時偶極矩,用量子力學(xué)可以證明：

1)兩振子無相互作用時，即當(dāng)兩個諧振子平衡點(diǎn)(正電荷所處位置)之間的距離

2)兩振子有相互作用時，系統(tǒng)的能量為

比較1)、2)式可以看出，兩振子相互作用后,能量降低了，降低的數(shù)值為：

其中a為極化系數(shù),，h為普朗克常數(shù)，v₀為振子的振動頻率。兩振子才能相互作用，表現(xiàn)出它們之間的吸引力。因?yàn)樗cv₀有關(guān)，故稱為色散力。無極性物質(zhì)分子之間正是由于色散力的作用才能凝聚為液體，凝固為固體。因此，色散力是決定無極性分子物質(zhì)物理性質(zhì)的主要因素。

從上面分析中知道，無論在哪種情況下，由于無極分子瞬時偶極矩的產(chǎn)生，它所具有的電勢能、排斥能都大于吸引能按照能量最小原理，即原子中每一個電子都有一個趨勢，占據(jù)能量最低的能級，當(dāng)原子中電子的能量最小時，整個原子的能量最低，原子即處于穩(wěn)定狀態(tài)。因?yàn)槟芰孔钚≡砭哂衅毡橐饬x，當(dāng)原子與原子、離子與離子、分子與分子結(jié)合時，同樣遵循這一原理，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?yàn)闊o極分子之間具有最小的吸引能，即最小結(jié)合能，所以無極分子可以結(jié)合成分子晶體。