Ergänzung 7.3: Raman-Streuung (1/6)

Elektrische Dipole

Wir betrachten ein Atom mit seinem Kern (Ladung q) und seiner Elektronenhülle (Ladung -q). Die Elektronen bewegen sich im Gebiet um den Atomkern, aber im zeitlichen Mittel fallen die Schwerpunkte der negativen Ladung der Hülle und der positiven Ladung des Kerns zusammen.

In einem äußeren elektrischen Feld $\overrightarrow{E}$ wirkt auf die Elektronen eine Kraft

Der Schwerpunkt der Elektronenhülle verschiebt sich durch diese Kraft bezogen auf den Atomkern um die Strecke $\overrightarrow{r}$. Der Abstand $\overrightarrow{r}$ der Schwerpunkte der positiven und negativen Ladungen führt zu einem elektrischen Dipolmoment

Elektrische Dipole, die durch äußere elektrische Felder entstehen, bezeichnet man als induzierte Dipole.

Links: Schematische Darstellung der Elektronenhülle (rot) und des Atomkerns (blau) eines Atoms. Rechts: in einem äußeren elektrischen Feld fallen die Schwerpunkte der negativen Ladung der Hülle und die positive Kernladung nicht mehr zusammen, es entsteht ein elektrischer Dipol.

Neben Dipolmomenten, die durch äußere elektrische Felder erzeugt werden, gibt es bei Molekülen auch permanente Dipolmomente. Dies tritt auf, wenn Moleküle nicht symmetrisch um eine Achse oder kugelsymmetrisch aufgebaut sind.

Ein Beispiel ist das Wassermolekül: seine beiden Wasserstoffatome sind zum Sauerstoffatom unter einem Winkel von 104,45° angeordnet. Da sich die bindenden Elektronen bevorzugt beim Sauerstoffatom aufhalten (Sauerstoff besitzt eine höhere Elektronegativität verglichen mit Wasserstoff), fallen die Schwerpunkte der postiven Kernladungen und negativen Elektronenladungen nicht zusammen, sondern haben einen Abstand r=0,24 Å (1 Å=10^-10 m). Dies führt zu einem Dipolmoment von p=2·e_o·r=7,7·10^-30 C·m. Solche Moleküle sind permanente Dipole.

Links: Aufbau des Wassermoleküls aus einem Sauerstoffatom (rot) und zwei Wasserstoffatomen (blau), die einen Winkel von 104,45° einnehmen. Die Wasserstoffatome sind vom Sauerstoffatom und 0,96 Å entfernt (1 Å=10^-10 m). Rechts: Die Schwerpunkte der positiven Ladungen der Kerne und negativen Ladungen der Elektronenhülle fallen nicht zusammen, sondern haben einen Abstand r=0,24 Å, wodurch sich ein permanentes Dipolmoment ergibt.