双極子は、2 つの等しく反対の電荷を組み込んだ物質です (電荷を持っているということは、ある程度の量のエネルギーを持っていると考えることができます)。電荷は、電気、磁気、またはその他のタイプです。
すべてのものには両面があります。これは太古の昔から守られてきた自然の法則です。実は、私たちの宇宙の誕生は、無が物質と反物質に分かれることによってもたらされました。この相反する 2 つのエネルギー形態は、私たちの世界の法則の下に存在するすべての物質の基礎となっています。私たちの惑星は、これらのエンティティの 1 つであり、この相反する法則に従います。
これはなぜですか？これらの相反する側面の存在は、信じられないほど小さなスケール、つまり分子レベルから始まります。物質を構成するすべての原子と分子は双極子です。
双極子とは?
数週間前、私のとても仲の良い友人 2 人が、双極子という言葉の本当の意味について健全な議論をしていました。 .サムは、双極子という言葉を指摘して、彼の側の議論を始めました 「di」は「2」を意味し、「pole」は「何かの終わりまたは端」を意味します。ビルは、双極子を非常に短い距離で隔てられた等しい反対の電荷のペアとして定義するメリアム-ウェブスターを引用して、議論に参加しました.
しかし、サムは、磁石の両端は磁気双極子と呼ばれることが多いため、双極子という言葉は実際には磁性体を表すと指摘しました。では…誰が正しいですか?
公平を期すために、どちらもそれ自体は間違っていません。双極子は、2 つの等しく反対の電荷を組み込んだ物質です (電荷を持っているということは、ある程度の量のエネルギーを持っていると考えることができます)。電荷は、電気、磁気、またはその他のタイプです。このコンテキストでは、電気双極子と磁気双極子を区別できます。
電気双極子と磁気双極子の違いは何ですか?
電気双極子 わずかな距離で分離された反対の符号の2つの等しい電荷を持つ物質から形成されます。電気双極子の最も良い例は、1 つの電子と 1 つの陽子 (水素) を持つ原子です。陽子は正電荷の源として機能しますが、電子は同量の負電荷を持っています。
水素原子 - 単純な電気双極子 (写真提供:general-fmv/Shutterstock)
磁気双極子 磁荷で構成されていることを除いて、電気双極子に非常に似ています。シンプルな棒磁石は、磁気双極子の最良の例です。バーの一方の端は北極を構成し、もう一方の端は南極として機能します。均一な棒の両端の電荷量は同じです。北極は南極を引き付け、その逆も同様です。
棒磁石 (写真提供:ShutterStockStudio/Shutterstock)
双極子モーメントとは?
双極子モーメントは、質量、体積、速度と同様に測定可能な量です。これは、双極性物質を定量化および区別できる特性です。
双極子モーメント式
2 つの電荷を持つ単純な系の双極子モーメントを計算する式は、双極子モーメント 電荷の大きさと反対の電荷を隔てる距離の積です。より複雑なシステムにはより複雑な数式があり、そのすべてが基本的なものから派生しています。
双極子モーメントの測定 (写真提供者:Andreas Knecht/Wikimedia Commons)
たとえば、1 ナノメートルの距離で分離された、それぞれ 1 クーロンの 2 つの反対の電荷からなるシステムを考えてみましょう。このような系の双極子モーメントは 10−9 クーロンメートルになります。
クーロン メートルは、電気双極子モーメントに適用される SI 単位です。ただし、分子の双極子モーメントは小さすぎて、このユニットで効果的に測定することはできません。
したがって、分子結合の双極子モーメントを測定するために、Debye (D) と呼ばれる単位が使用されます。 (1D=3.33564×10−30 C・m)を使用。
原子レベルでは、不均一な電荷分布により双極子が発生します。固定された軌道でランダムな順序で中心の陽子の周りを回転する電子の海を持つ原子を考えてみましょう。ここで、任意の時点でシナリオを一時停止し、陽子と電子のペアを選択します。
何が見えますか？双極子は、均等に帯電した種と反対に帯電した種のペアによって形成されます。同様に、原子内の電子の数に等しい他の双極子が形成され、それらの双極子モーメントが結合して、種の正味の双極子モーメントになります。
永久双極子と一時双極子の違いは何ですか?
永久双極子 分子内の 2 つの原子間の電気陰性度 (電子に対する相対的な引力) の違いにより発生します。
フッ化水素を例に考えてみましょう。フッ素の電気陰性度は水素よりも大きく、その結果、フッ素はすべての電子を自分自身に引き寄せ、陰極になります。次に、水素は過剰な陽子を持ち、正極になります。永久双極子モーメントを持つ分子は、極性分子と呼ばれます。
瞬間双極子 一時的な双極子です。原子の内部では、電子は原子核の周りを決まった経路で回転しますが、その動きはランダムです。時々、これらの電子は、ある特定の領域に他の領域よりも集中することがあります。これにより、瞬間的または一時的な双極子が発生します。このメカニズムは、原子双極子の形成で説明されたものと似ています。
これらの双極子は大きさが小さく、非常に短い期間のみ関連します。しかし、それらは多くの分子現象において主要な役割を果たしています。酸素や二酸化炭素などのいくつかの非極性分子に見られるロンドン分散力は、その最良の例です。
四重極とは?
世界中の研究者が双極子についてより多くのことを発見するにつれて、彼らは 1 つの奇妙な曖昧さに直面しました — 双極子は限界なのでしょうか?彼らの疑問はすぐに四重極の発見で答えられました。
四重極は、理想的なシステムを表すために完全に対称的な分布に配置された、反対の符号 (それぞれ 2 つ) の 4 つの異なる単極子 (それぞれ 2 つ) で構成されます。モノポールは、電荷、磁極、または単純な質量でさえあります。すでに述べたように、質量は極の実体です。質量または物質の反対は反物質と呼ばれ、この記事で反物質について詳しく読むことができます。
シンプルな電気四重極 (写真提供:Pasquale.Carelli/Wikimedia Commons)
四重極をよりよく理解するために、例を見てみましょう。
2 つの正の電荷と 2 つの負の電荷を考えてみましょう。これらの電荷を正方形の角に交互に配置します。最終結果は、上の図のようになります。 2 つの反対の双極子が互いに打ち消し合うため、この系の総正味電荷はゼロになり、その双極子モーメントもゼロになります。
ただし、この系の四重極モーメントは、粒子の向きに関係なくゼロにはなりません。この現象の正確な理由は、まだ世界中で調査中です!
結論
双極子についてこれまでに学んだことから、1 つのことは明らかです。双極子は原理的に非常に単純であり、動作も同様に複雑です。私たちの身の回りで起こる多くの現象は、原子や分子の双極子性に起因する可能性があります。これらには、水の流動性などの単純なものだけでなく、生体組織の弛緩などの複雑なものや、この記事の範囲外のものも含まれます。
結論として、それらの機能は日常生活では目立たないかもしれませんが、双極子は私たちにとって非常に重要です.
