Polarizzabilità
di atomi, ioni e molecole; la capacità di queste particelle di acquisire un momento di dipolo p in un campo elettrico E. L’aspetto di p è dovuto allo spostamento delle cariche elettriche nei sistemi atomici sotto l’influenza di E; il momento p così indotto svanisce quando non è presente alcun campo elettrico. Il concetto di polarizzabilità non è generalmente applicato alle particelle che hanno un momento di dipolo permanente, come le molecole polari. In campi relativamente deboli, la dipendenza di p da E è lineare:
p = αE
dove α è una misura quantitativa della polarizzabilità ed è talvolta chiamata essa stessa polarizzabilità molecolare. Per alcune molecole il valore di α può dipendere dalla direzione di E; questo è noto come polarizzabilità anisotropa. In forti campi elettrici, la dipendenza di p da E cessa di essere lineare.
Nell’equazione sopra, E è il campo elettrico nella posizione della particella. Per una particella isolata, come una molecola di un gas rarefatto, coincide con il campo esterno. In un liquido o in un cristallo, i campi interni generati da altre particelle cariche che circondano la particella data si aggiungono al campo esterno.
Sotto la forza di un campo elettrico, il momento p non appare istantaneamente. Il tempo di transizione τ del momento p dipende dalla natura delle particelle e del mezzo circostante. Un valore statico di polarizzabilità corrisponde a un campo elettrostatico. In un campo variabile, come un campo che varia armonicamente, la polarizzabilità dipende dalla frequenza ω e dal tempo di transizione τ. Per ω sufficientemente basso e τ sufficientemente piccolo, il momento p cambia in fase con la variazione del campo, e la polarizzabilità coincide con quella statica. Per ω molto alto o τ grande, il momento p può non presentarsi affatto; la particella non “sente” la presenza del campo, quindi non c’è polarizzabilità. Nei casi intermedi, specialmente quando ω si avvicina a 1/τ, si osservano i fenomeni di dispersione e assorbimento.
Si distingue tra diversi tipi di polarizzabilità. La polarizzabilità elettronica è dovuta allo spostamento in un campo E dei gusci degli elettroni rispetto ai nuclei atomici. La polarizzabilità ionica (nei cristalli ionici) deriva dallo spostamento di ioni di segno opposto rispetto al processo di equilibrio e in direzioni opposte. La polarizzabilità atomica è dovuta allo spostamento in un campo E di atomi di tipo diverso in una molecola ed è legata alla distribuzione asimmetrica della densità elettronica. La dipendenza dalla temperatura di questi tipi di polarizzabilità è leggera; all’aumentare della temperatura, la polarizzabilità diminuisce un po’.
Nella fisica dei dielettrici solidi e liquidi, la polarizzabilità è intesa come polarizzabilità media. Qui P rappresenta la polarizzazione per particella e per unità di campo: a = P/EN, dove N è il numero di particelle. La polarizzabilità dei dielettrici polari è chiamata polarizzabilità di orientamento. La polarizzazione dei dielettrici le cui particelle si muovono alternativamente da una posizione all’altra sotto l’influenza di un campo elettrico può essere descritta introducendo la polarizzabilità di rilassamento. L’estrema sensibilità alla temperatura è una caratteristica di questi tipi di polarizzabilità.
Nella letteratura sulla fisica dei dielettrici, il fattore di proporzionalità Χ tra P ed E-P = ΧE-cioè la suscettibilità dielettrica, è talvolta chiamato polarizzabilità.
Il concetto di polarizzabilità ha trovato ampia applicazione nella fisica dei dielettrici, nella fisica molecolare e nella chimica fisica. Per sistemi relativamente semplici si descrive la relazione tra la polarizzabilità e le caratteristiche macroscopiche di una sostanza; per esempio, per la polarizzabilità elettronica è descritta dalla formula di Lorentz-Lorenz e dall’equazione di Clausius-Mossotti, e per la polarizzabilità di orientamento, dalla formula di Langevin-Debye. Attraverso queste e simili formule è possibile determinare sperimentalmente la polarizzabilità. Il concetto di polarizzabilità è usato per analizzare e spiegare una serie di effetti ottici come la polarizzazione e la dispersione della luce, l’attività ottica e l’effetto Raman, in particolare nei sistemi composti da molecole estremamente grandi, come le proteine.