WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA
LABORATORIUM FIZYCZNE
Grupa szkoleniowa : E02DX3 Podgr. : 1 .................................
(stopień i nazwisko
prowadzącego ćwiczenia)
Borczon Radosław
(nazwisko i imię słuchacza)
........................ .......................
ocena przygot. ocena końcowa
do ćwiczenia
SPRAWOZDANIE
Z
PRACY LABORATORYJNEJ NR 27
Wyznaczanie elektronowej polaryzowalności cząsteczki wody
(temat pracy)
Wstęp teoretyczny
Dipolem elektrycznym nazywamy układ dwóch przeciwnych ładunków elektrycznych umieszczonych w pewnej odległości od siebie. Punkt A, w którym skupiony jest ładunek dodatni
nazywamy biegunem dodatnim, a punkt B - biegunem ujemnym. Iloczyn bezwzględnej wartości ładunku jednego z biegunów dipola i odległości l między biegunami nazywamy momentem dipolowym :
± ±
m = q l
Wielkość tę interpretujemy wektorowo. Przypisujemy jej mianowicie kierunek wzdłuż osi i zwrot od bieguna ujemnego ku dodatniemu.
Pojęcie dipola można stosować do więcej niż dwóch ładunków pod warunkiem, że suma algebraiczna wszystkich ładunków równa się zeru i środki ciężkości ładunków przeciwnego znaku nie pokrywają się.
Cząsteczka wody jest dipolem, ponieważ nie ma struktury liniowej, lecz kątową. Przypisuje się jej promień równy 0,138 nm.
Cząsteczki niektórych dielektryków nie mają momentu dipolowego. Nazywamy je niespolaryzowanymi. Aby zaobserwować zjawisko polaryzacji dielektryka należy wprowadzić go w obszar pola elektrycznego (np. pomiędzy okładki naładowanego kondensatora). W ogólnym przypadku mogą wtedy zachodzić trzy zjawiska:
Jeżeli cząsteczka jest dipolem elektrycznym wówczas na jej biegun dodatni działa siła kulombowska skierowana wzdłuż przechodzących przez ten punkt linii sił pola elektrycznego w
kierunku zgodnym z nimi , na biegun ujemny zaś siła o zwrocie przeciwnym. Ta para sił stara się ustawić tę cząsteczkę tak, aby jej oś była położona wzdłuż linii sił pola elektrycznego i
charakteryzowała się minimalną energią potencjalną. Zjawisko to nazywamy polaryzacją skierowaną. W pełnym uporządkowaniu cząsteczek przeszkadza ruch cieplny rosnący wraz
z temperaturą.
W polu elektrycznym na dodatnie jądra atomowe działają siły przesuwające je wzdłuż linii sił pola elektrycznego zgodnie z ich zwrotem, natomiast elektrony w stronę przeciwną. Ze względu
na małą masę przesunięciu ulegają głównie elektrony powodując deformację powłok elektronowych. Zjawisko to nazywamy polaryzacją elektronową . Po zaniku działania pola
elektrycznego deformacja znika i cząsteczki tracą swoją biegunowość.
Atomy lub grupy polarne cząsteczki pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego ulegają przesunięciu lub obrotowi. Zjawisko to nazywamy polaryzacją jonową.
Zjawisko polaryzacji jest sumą trzech omówionych procesów, przy czym zjawisko drugie i trzecie występuje w cząsteczkach wszystkich substancji, a pierwsze tylko w substancjach
polarnych.
W ten sposób całkowita polaryzowalność substancji (a) jest sumą trzech polaryzowalności: skierowanej (ask), jonowej (aj), elektronowej (ae).
a = ask + aj + ae
Równanie Clausiusa-Mosottiego określa zależność polaryzowalności substancji z jej stałą dielektryczną (e):
e - 1 M 4
ÄÄÄÄÄÄÄ ÄÄÄ = ÄÄÄ p NA a
e + 2 r 3
gdzie : M - masa cząsteczkowa substancji,
r - gęstość substancji,
NA- liczba Avogadra.
Aby wyznaczyć elektronową polaryzowalność substancji należy wykorzystać różną bezwładność poszczególnych procesów tak aby wyeliminować wpływ polaryzowalności jonowej i skierowanej.
Umieszczając substancję w zmiennym polu elektrycznym stwierdzamy, że wpływ polaryzowalności skierowanej zanika przy częstotliwości rzędu 1010-1012 Hz, a polaryzowalności jonowej już przy częstotliwości 1014-1015 Hz. Więc aby wyeliminować wpływ polaryzowalności skierowanej i jonowej należy substancję np. oświetlić widzialną falą elektromagnetyczną.
Jeżeli ośrodek nie jest ferromagnetyczny (przenikalność magnetyczna zbliżona do 1) jego współczynnik załamania wyraża się wzorem wynikającym z teorii Maxwella:
ÚÄż
n = áÓe
Stosując równanie Clausiusa-Mosottiego tylko dla polaryzowalności elektronowej i uwzględniając powyższy wzór otrzymujemy wyrażenie na polaryzowalność elektronową:
3 n2 - 1 m
ae = ÄÄ ÄÄÄÄÄÄ ÄÄÄÄ
4p n2 + 2 r NA
WNIOSKI I OCENA OTRZYMANYCH REZULTATÓW
Przeprowadzone przeze mnie doświadczenie jest praktycznym dowodem na to, że współczynnik załamania światła jest zależny niemalże liniowo od temperatury. Wyniki pomiarów wykazały to w
dostatecznym stopniu.
Doświadczenie wykazało także, iż polaryzowalność elektronowa wody praktycznie nie zależy od temperatury. Różnica wyników mieści się w granicy błędu .Jest tak ponieważ dipole
zwane indukowanymi (istniejące tylko w zewnętrznym polu) ustawiają się zawsze zgodnie z liniami sił pola elektrycznego niezależnie od ruchu cieplnego i związanej z nią temperatury.
Ćwiczenie potwierdziło także wyeliminowanie wpływu polaryzacji skierowanej i jonowej poprzez odpowiedni dobór częstotliwości pola zewnętrznego (widzialne fale
elektromagnetyczne). Wynika to z tego, że wyniki pomiarów z dość dobrym przybliżeniem nie zależą od temperatury, a zależałyby gdyby na wyniki miały wpływ polaryzacje skierowana i jonowa, które zależą od ruchów cieplnych.
Ogólnie dokładność pomiarów oceniam na dość dobrą, a błędy w wyznaczeniu elektronowej polaryzowalności wody spowodowane są nałożeniem się błędów odczytu temperatury Dt=0.1oC, błędu odczytu współczynnika załamania Dn=0.0001 a także gęstości wody.