Question

电极化的微观机制

Answer 1

电介质的极化过程在微观上有不同的机制，而且各种机制所起作用的条件也不同。任何物质的分子和原子（以下统称分子）都是由带负电的电子和带正电的原子核构成，整个分子电荷的代数和为零，因此整个分子对外不显电性。正、负电荷都不是集中在一点，但在离开分子的距离比分子的线度大得多的地方，分子中全部负电荷的影响将和一个单独的负电荷等效。这个等效负电荷的位置称为这个分子负电荷的“重心”；同样，每个分子的正电荷也有一个正电荷“重心”。按重心的分布可将分子分为两类：一类分子正负电荷的重心是重合的，称为无极分子；而另一类的正负电荷中心不重合，称为极性分子。每个极性分子构成一个电偶极子，形成一定的电偶极矩，称为分子的固有电矩。

在没有外电场的情况下，物质中无极分子没有电矩，有极分子的电矩取向也是杂乱无章的，宏观上众多分子的总电矩为零。现在我们加上外电场，在场力作用下，每个分子的正、负电荷重心错开了，形成电偶极子，分子电偶极矩的方向沿外电场方向。这种在外电场作用下形成的电偶极矩称为感生电矩。极性分子的电矩则转向外场的方向。

就这样，偶极分子和无极分子都在电场作用下发生极化。从极化的微观机制，可细分为以下三种。

1.电子云位移极化

如图4－11所示，每个原子核的周围都笼罩着一团电子云，该电子云的中心就是这个原子负电荷中心。在外电场E₀作用下，电子云的形状发生畸变，负电荷中心（重心）发生偏移，偏离正电荷中心（重心），发生极化。因为电子质量比原子核小得多，所以在外场作用下的位移主要是电子位移，故称为电子位移极化。

图4－11 电子位移极化示意图

2.离子位移极化

一些构成矿物的晶体属于离子晶体。在离子晶体（如氯化钠晶体）中，由于正、负离子空间排列的对称性，晶胞的固有电偶极矩等于零。当出现电场E₀时，所有正离子受电场作用，沿E₀方向作相同的位移，而负离子却朝反方向位移，从而产生电矩。

3.偶极子（极性分子）取向极化

如图4－12所示，在没有外加电场情况下，对每一个特定的极性分子来说，由于整体的旋转运动以及与其他分子碰撞的结果，它的电矩在空间取向无规则地变化着，于是电矩矢量按时间的平均值为零；另一方面，大量分子热运动的结果，使得在某一瞬时在一定空间范围内各分子的电矩取向杂乱无章，彼此互相抵消，结果大量分子平均瞬时电矩矢量等于零。外加电场出现后，偶极分子沿电场E₀取向，产生极化。

图4－12 极性分子取向极化示意图

必须说明一点，虽然宏观上出现了沿电场取向，但微观上并不是所有偶极分子都沿电场取向。实际上分子电矩沿电场取向具有较低的能量，但热运动扰乱了这种趋势，使得在平均意义上电矩朝电场取向占有优势，从而显现出宏观的极化。外电场加强时，会有更多的电矩（或者电矩有更多的机会）朝向电场取向，使宏观极化增强，而环境温度增加导致热运动加剧，会使极化减弱。从固体物理知识可以得到偶极取向极化率α_d的表达式：

储层岩石物理学

式中：p0为分子固有电矩；k称波尔兹曼常数，为1.380662×10^－23J/K；T为绝对温度。在地球物理观测中偶极取向极化起着十分重要的作用，一般电磁场频率在10⁹ Hz以下，偶极极化才有贡献，频率再增高，偶极分子的转向速度跟不上，无法产生偶极极化。原子或分子受外加电场E极化而产生的电矩p存在如下经验关系：

储层岩石物理学

称α为微观极化率（polarizability）。一个粒子对极化的贡献可以来自不同的原因。电子云畸变引起的负电荷中心位移贡献的部分记为α_e，离子位移贡献的部分记为α_i，固有偶极矩取向作用贡献的部分记为α_d，总的微观极化率为各种贡献的总和，即

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