Polarisierbarkeit
von Atomen, Ionen und Molekülen; die Fähigkeit dieser Teilchen, in einem elektrischen Feld E ein Dipolmoment p zu erhalten. Das Auftreten von p ist auf die Verschiebung elektrischer Ladungen in atomaren Systemen unter dem Einfluss von E zurückzuführen; das so induzierte Moment p verschwindet, wenn kein elektrisches Feld vorhanden ist. Das Konzept der Polarisierbarkeit wird im Allgemeinen nicht auf Teilchen angewendet, die ein permanentes Dipolmoment besitzen, wie z. B. polare Moleküle. In relativ schwachen Feldern ist die Abhängigkeit von p von E linear:
p = αE
wobei α ein quantitatives Maß für die Polarisierbarkeit ist und manchmal selbst als molekulare Polarisierbarkeit bezeichnet wird. Bei einigen Molekülen kann der Wert von α von der Richtung von E abhängen; dies wird als anisotrope Polarisierbarkeit bezeichnet. In starken elektrischen Feldern ist die Abhängigkeit von p von E nicht mehr linear.
In der obigen Gleichung ist E das elektrische Feld am Ort des Teilchens. Für ein isoliertes Teilchen, wie z.B. ein Molekül eines verdünnten Gases, fällt es mit dem äußeren Feld zusammen. In einer Flüssigkeit oder einem Kristall werden die internen Felder, die von anderen geladenen Teilchen in der Umgebung des Teilchens erzeugt werden, zu dem externen Feld addiert.
Unter der Kraft eines elektrischen Feldes tritt das Moment p nicht sofort auf. Die Übergangszeit τ des Moments p hängt von der Beschaffenheit der Teilchen und des umgebenden Mediums ab. Ein statischer Wert der Polarisierbarkeit entspricht einem elektrostatischen Feld. In einem variablen Feld, z. B. einem harmonisch variierenden Feld, hängt die Polarisierbarkeit von der Frequenz ω und der Übergangszeit τ ab. Bei ausreichend niedrigem ω und ausreichend kleinem τ ändert sich das Moment p mit der Phase der Feldvariation, und die Polarisierbarkeit fällt mit der statischen Polarisierbarkeit zusammen. Bei sehr hohem ω oder großem τ tritt das Moment p möglicherweise gar nicht auf; das Teilchen „spürt“ das Vorhandensein des Feldes nicht, so dass es keine Polarisierbarkeit gibt. In Zwischenfällen, insbesondere wenn ω sich 1/τ annähert, werden die Phänomene der Dispersion und der Absorption beobachtet.
Man unterscheidet zwischen mehreren Arten der Polarisierbarkeit. Die elektronische Polarisierbarkeit beruht auf der Verschiebung der Elektronenschalen gegenüber den Atomkernen in einem Feld E. Die ionische Polarisierbarkeit (in ionischen Kristallen) ergibt sich aus der Verschiebung von Ionen mit entgegengesetztem Vorzeichen aus dem Gleichgewichtsprozess und in entgegengesetzte Richtungen. Die atomare Polarisierbarkeit ist auf die Verschiebung von Atomen verschiedener Typen in einem Molekül in einem Feld E zurückzuführen und hängt mit der asymmetrischen Verteilung der Elektronendichte zusammen. Die Temperaturabhängigkeit dieser Arten von Polarisierbarkeit ist gering; mit steigender Temperatur nimmt die Polarisierbarkeit etwas ab.
In der Physik der festen und flüssigen Dielektrika wird die Polarisierbarkeit als mittlere Polarisierbarkeit verstanden. Dabei stellt P die Polarisation pro Teilchen und pro Feldeinheit dar: a = P/EN, wobei N die Anzahl der Teilchen ist. Die Polarisierbarkeit von polaren Dielektrika wird als Orientierungspolarisierbarkeit bezeichnet. Die Polarisation von Dielektrika, deren Teilchen sich unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes abwechselnd von einer Position zu einer anderen bewegen, kann durch die Einführung der Relaxationspolarisierbarkeit beschrieben werden. Ein charakteristisches Merkmal dieser Arten von Polarisierbarkeit ist die extreme Temperaturempfindlichkeit.
In der Literatur über die Physik der Dielektrika wird der Proportionalitätsfaktor Χ zwischen P und E-P = ΧE – also die dielektrische Suszeptibilität – manchmal als Polarisierbarkeit bezeichnet.
Das Konzept der Polarisierbarkeit hat in der Physik der Dielektrika, der Molekularphysik und der physikalischen Chemie breite Anwendung gefunden. Für relativ einfache Systeme wird die Beziehung zwischen der Polarisierbarkeit und den makroskopischen Eigenschaften einer Substanz beschrieben; für die elektronische Polarisierbarkeit wird sie beispielsweise durch die Lorentz-Lorenz-Formel und die Clausius-Mossotti-Gleichung beschrieben, für die Orientierungspolarisierbarkeit durch die Langevin-Debye-Formel. Mit Hilfe dieser und ähnlicher Formeln ist es möglich, die Polarisierbarkeit experimentell zu bestimmen. Das Konzept der Polarisierbarkeit wird verwendet, um eine Reihe von optischen Effekten zu analysieren und zu erklären, wie z. B. die Polarisation und Streuung von Licht, die optische Aktivität und den Raman-Effekt, insbesondere in Systemen, die aus extrem großen Molekülen bestehen, wie z. B. Proteinen.