Электронная поляризация представляет собой смещение электронных облаков атомов или ионов относительно их ядер под действием внешнего электрического поля. При этом центры положительных и отрицательных зарядов перестают совпадать, что приводит к образованию элементарного электрического диполя. Этот процесс происходит в основном за счёт деформации орбиталей электронов, без перемещения ядер атомов или ионов.
Электронная поляризация относится к самой быстрой форме поляризационного отклика, так как масса электрона мала и его инерция практически не задерживает ответ на изменение электрического поля. Времена отклика — порядка 10−15 с, что сопоставимо с периодами колебаний оптического диапазона.
Рассмотрим атом, находящийся в электрическом поле E. В невозмущённом состоянии центр положительного заряда ядра и отрицательного заряда электронного облака совпадают. Под действием поля электронное облако смещается на величину r, что создаёт дипольный момент
p = −Zer,
где Z — число электронов, участвующих в смещении, e — заряд электрона.
В рамках линейного отклика дипольный момент пропорционален напряжённости поля:
p = αE,
где α — поляризуемость атома (или иона), определяющая способность системы к деформации электронного облака.
Энергия взаимодействия диполя с электрическим полем задаётся выражением
U = −p ⋅ E = −αE2.
Поляризуемость α имеет размерность объёма (м3) и зависит от пространственного распределения электронной плотности. Для сферически симметричного атома можно записать оценочную формулу:
α ≈ 4πε0R3,
где R — эффективный радиус электронного облака, ε0 — электрическая постоянная.
В кристаллических диэлектриках и полупроводниках электронная поляризация является неразрывной составляющей полной диэлектрической проницаемости. При приложении поля локальное смещение зарядов внутри элементарной ячейки создаёт макроскопический поляризационный вектор P:
P = Np = NαE,
где N — число атомов (или ионов) в единице объёма.
Электронная поляризация не требует перестройки кристаллической решётки, поэтому присутствует даже в твёрдых телах с жёсткими ионными каркасами, например, в алмазе или сапфире.
Для частот, значительно ниже резонансных электронных переходов (ω ≪ ωопт), электронная поляризация даёт вклад в статическую диэлектрическую проницаемость ε. Согласно модели Лоренца, связь между микроскопической поляризуемостью и макроскопической проницаемостью описывается формулой Клаузиуса — Моссотти:
$$ \frac{\varepsilon - 1}{\varepsilon + 2} = \frac{N \alpha}{3\varepsilon_0}. $$
Данное соотношение позволяет определять α по экспериментально измеренным значениям ε.
Электронная поляризация обладает выраженной частотной зависимостью. При повышении частоты поля до значений, близких к собственным частотам электронных колебаний, происходит резонансная поляризация, сопровождающаяся сильным изменением ε(ω) и аномальной дисперсией.
В области оптических частот (1014 − 1015 Гц) именно электронная поляризация определяет преломляющий индекс материала:
n2(ω) ≈ ε(ω).
Для частот выше резонансных (ω ≫ ωопт) электронное облако не успевает следовать за изменением поля, и вклад α(ω) быстро уменьшается, приближаясь к нулю.
Электронная поляризация: