8 Природа электронной поляризации. Характерные зависимости.

Электронная поляризация - это смещение электронных орбит относительно положительно заряженного ядра. Она происходит во всех атомах любого вещества и, следовательно, во всех диэлектриках, независимо от наличия в них других видов поляризации. Поскольку масса ядер сильно (в 10^8…10^5) раз больше массы электронов в атоме, то по сути речь идёт о смещении электронов. В электрическом поле происходит искажение электронного облака относительно ядра. При этом преобладающий вклад в поляризацию дают лишь слабо связанные с ядром электроны. Они смещаются при воздействии поля в большей степени, чем сильно связанные с ядром электроны глубинных оболочек атома или иона.

Электронная поляризация устанавливается за очень короткое время после наложения электрического поля - порядка 10^-14 - 10^-15 с, что сравнимо с периодом световых колебаний. Поэтому электронная поляризация проявляется на всех частотах электрического поля, вплоть до оптических. Частота электромагнитных волн в оптическом диапазон v=10^15 Гц, причем V=ω/2π, а τ=1/ω. Следовательно, запаздывание электронной поляризации, т.е. дисперсия εэл должно происходить на более высоких частотах, чем оптические, т.е. в ультрафиолетовой области спектра (10^16…10^17 Гц)

Диэлектрическая проницаемость вещества с чисто электронной поляризацией численно равно квадрату показателя преломления света n. Смещение и деформация электронных орбит атомов или ионов не зависит от температуры, однако электронная поляризация вещества уменьшается с повышением температуры в связи с тепловым расширением диэлектрика и уменьшением числа частиц в единице объёма. Изменение диэлектрической проницаемости диэлектрика с электронной поляризацией при изменении температуры обуславливается лишь изменением его плотности.

Электронная поляризация представляет собой упругое смещение и

деформацию электронных оболочек атомов и ионов. На рис. 1.3 показана схема моделей

атомов водорода в отсутствие внешнего электрического поля (а) и при его воздействии

(б). Время установления электронной поляризации ничтожно мало (около 10 ^-15 c) и

сравнимо с периодом световых колебаний. Поэтому электронную поляризацию условноназывают мгновенной. Она проявляется при всех частотах, вплоть до 10^14 – 10^16 Гц.

Электронная поляризация наблюдается у всех видов диэлектриков и не связана с

потерями энергии до резонансных частот. Значение диэлектрической проницаемости

вещества с чисто электронной поляризацией численно равно квадрату показателя

преломления света. Поляризуемость частиц при электронной поляризации не зависит от

температуры, а диэлектрическая проницаемость ε уменьшается с повышением

температуры в связи с тепловым расширением диэлектрика и уменьшением числа частиц

в единице объема. Кривая зависимости ε от температуры подобна кривой изменения

плотности; причем наиболее резкие снижения наблюдаются при переходах вещества из

твердого состояния в жидкое и из жидкого в газообразное, как показано на рис. 1.4 [2].

Рис. 1.4. Кривые температурной зависимости диэлектрической проницаемости при

электронной э

ε , дипольно-релаксационной др ε и ионно-релаксационной ир ε поляризациях

Схематически процесс электронной поляризации в простейшем атоме – атоме

водорода, который будем рассматривать изолированным, а не входящим в состав

молекулы, представлен на рис. 1.5. Атом водорода имеет всего лишь один электрон,

имеющий отрицательный заряд е и вращающийся вокруг ядра, положительный заряд

которого по абсолютному значению также равен е . Изображенная левее орбита, в

плоскости которой находится ядро атома, – орбита, существовавшая до наложения

внешнего электрического поля, а изображенная правее орбита смещена относительно ядра после наложения электрического поля с напряженностью Е