Электрические свойства нейтральных атомов и молекул

 

Чтобы понять, как незаряженный диэлектрик создает элект­рическое поле, надо сначала познакомиться с электрическими свойствами нейтральных атомов и молекул.

Атомы и молекулы состоят из положительно заряженных частиц — ядер и отрицательно заряженных частиц — электро­нов. На рисунке 1.54 изображена схема простейшего атома — атома водорода. Положительный заряд атома, заряд его ядра, сосредоточен в центре атома. Электрон движется в атоме с большой скоростью ~ 10⁶ м/с. Один оборот вокруг ядра он де­лает за очень малое время, порядка 10^-15 с. Поэтому, напри­мер, уже за 10^-9 с он успевает совершить миллион оборотов и, следовательно, миллион раз побывает в двух любых точках 1 и 2, расположенных симметрично относительно ядра. Это дает основание считать, что даже за очень малый промежуток вре­мени центр распределения отрицательного заряда приходится на середину атома, т. е. совпадает с положительно заряжен­ным ядром (рис. 1.55, штриховыми окружностями показан ряд положений электрона).

Однако так обстоит дело не всегда. Рассмотрим молекулу поваренной соли NaCl. Атом натрия имеет во внешней оболоч­ке один валентный электрон, слабо связанный с атомом. У хло­ра семь валентных электронов. При образовании молекулы единственный валентный электрон натрия захватывается хлором. Оба нейтральных атома превращаются в систему из двух ионов с зарядами противоположных знаков (рис. 1.56). Положительный и отрицательный заряды не распределены теперь симметрично по объему молекулы: центр распределе­ния положительного заряда приходится на ион натрия, а от­рицательного — на ион хлора.

 

Электрический диполь

 

На большом расстоянии от молекулы ее можно приближен­но рассматривать как совокупность двух точечных зарядов, равных по модулю и противоположных по знаку, находящих­ся на некотором расстоянии l друг от друга (рис. 1.57). Такую нейтральную в целом систему зарядов называют электри­ческим диполем.

Электрические свойства диполя характеризуются электри­ческим дипольным моментом. Электрический мо­мент диполя равен произведению модуля одного из электри­ческих зарядов диполя на вектор l, проведенный от отрица­тельного заряда диполя к положительному:

 

 

Дипольным моментом обладает, например, молекула воды. Однако распределение электрических зарядов у молекулы Н₂0 гораздо сложнее, чем у NaCl. Устроена молекула воды

приблизительно следующим образом. Из восьми электронов атома кислорода два находятся вблизи ядра. Пара электронов с внешней оболочки спаривается с двумя электронами атомов водорода, удерживая все три атома (один кислорода и два водорода) друг около друга. Остающиеся четыре электрона движутся парами по орбитам, простирающимся в стороны, противоположные атомам водорода. Примерная схема элек­тронных орбит в молекуле воды изображена на рисунке 1.58. Верхняя по рисунку часть молекулы имеет положительный заряд, а нижняя — отрицательный. В результате молекулу на большом расстоянии тоже можно рассматривать как электри­ческий диполь. Электрический дипольный момент молекулы воды по сравнению с дипольными моментами других молекул

оказывается большим: р = 1,87 • 10^-18 СГСЭ.

 

Два вида диэлектриков

 

Диэлектрики можно разделить на два вида:

полярные, состоящие из молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают;

неполярные, состоящие из атомов и молекул, у кото­рых центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают.

К полярным диэлектрикам относятся спирты, вода и дру­гие вещества; к неполярным — инертные газы, кислород, во­дород, бензол, полиэтилен и др.

 

Поляризация диэлектриков.