Techniklexikon

Dipolmoment

Elektrodynamik und ElektrotechnikAtom- und MolekülphysikKernphysik, 1) Elektrodynamik: das zweite Glied der Multipolentwicklung. Das Dipolmoment ist das Moment mit l = 1; daher wird es auch als "erstes Moment" bezeichnet, obwohl der erste Term der Entwicklung das Monopolmoment ist, das "nulltes Moment" genannt wird. Das Dipolmoment ist ein Vektor bzw. Tensor erster Stufe. (elektrisches Dipolmoment, magnetisches Dipolmoment)

2) Atom- und Molekülphysik: Die permanenten elektrischen Dipolmomente p sind wichtige Kenngrössen von Molekülen, Atomen und Atomkernen, weil sie Rückschlüsse auf die Ladungsverteilung r(r) und den elektronischen Zustand ermöglichen. Ist r(r) proportional zum Betragsquadrat einer quantenmechanischen Wellenfunktion, verschwindet m für alle Zustände definierter Parität, da dann r(r) eine gerade Funktion in r ist. Aus diesem Grund besitzen Atomkerne und freie Atome im elektronischen Grundzustand kein elektrisches Dipolmoment. Viele Moleküle haben dagegen ein permanentes elektrisches Dipolmoment, das sich additiv aus dem Beitrag der (positiv geladenen) Atomkerne und dem der Elektronen zusammensetzt:

,

wobei e der Betrag der elektrischen Elementarladung, R_A der Ortsvektor des Atoms A der Kernladungszahl Z_A und r(r) = en(r) die Ladungsdichte des Elektronensystems ist. Für neutrale Moleküle ist das Dipolmoment unabhängig von der Wahl des Koordinatensystems, während Dipolmomente von Molekülionen üblicherweise bezüglich des Massenschwerpunkts angegeben werden. Molekulare Dipolmomente liegen in der Grössenordnung von 10 ^{- 30} Cm und werden meistens in Debye angegeben, wobei 1 D = 3,33564 × 10 ^{- 30} Cm ist. Damit liegen die Beträge der meisten molekularen Dipolmomente im Bereich von 0-10 D.

Das durch ein äusseres Feld E induzierte Dipolmoment ist eine Funktion der Polarisierbarkeit a des entsprechenden Atoms oder Moleküls , wobei a im allgemeinen richtungsabhängig, d.h. eine Tensorgrösse ist.

Experimentell können Dipolmomente freier Moleküle (d.h. in der Gasphase) aus der Aufspaltung der Rotationslinien infolge des Stark-Effekts, aus Intensitätsmessungen der reinen Rotationslinien oder der Ablenkung von Molekularstrahlen in elektrischen Feldern bestimmt werden. Die theoretische Bestimmung erfordert die Berechnung der Elektronendichte n(r) und ist daher mit quantenmechanischen Methoden durchzuführen.

Das Dipolmoment ist ein Mass für die Polarität einer Bindung, und viele der zwischenmolekularen Wechselwirkungen in Gasen und Flüssigkeiten beruhen auf Wechselwirkungen zwischen permanenten und/oder induzierten Dipolmomenten.

Das magnetische Dipolmoment von Atomen und Molekülen ist die Summe der magnetischen Momente der Atomkerne und der Elektronenhülle. Zum magnetischen Moment der Elektronen kann ausser dem Spin auch ein nichtverschwindender Bahndrehimpuls beitragen. Das atomare magnetische Moment ist von der Grössenordnung des Bohrschen Magnetons und damit um etwa einen Faktor 10³ grösser als das Kernmoment. Üblicherweise werden atomare magnetische Momente in Vielfachen des Bohrschen Magnetons m_B angegeben und liegen überwiegend im Bereich von 0-5 m_B. Die experimentelle Bestimmung kann mit Hilfe der ESR-Spektroskopie oder durch Messung der magnetischen Suszeptibilität erfolgen. Verschwindet das magnetische Dipolmoment der Elektronenhülle eines Systems, wird es als diamagnetisch, andernfalls als paramagnetisch bezeichnet (Diamagnetismus, Paramagnetismus). Die Wechselwirkungen der magnetischen Momente der Elektronen in Molekülen und Festkörpern führen zu einer Vielfalt sehr unterschiedlicher magnetischer Eigenschaften, die auch von grosser technischer Bedeutung sind (Magnetismus).

3) Kerndipolmoment. [MB, MG1]