一切都有兩面，這是自古以來一直遵循的自然法則。事實上，我們宇宙的誕生是由虛無分裂為物質和反物質而帶來的。這兩種相反的能量形式是我們世界法則下存在的每一種物質的基礎。我們的星球，作為這些實體之一，也遵循這個對立的規律。

為什麼會這樣？那麼，這些對立的一方的存在開始於一個令人難以置信的小尺度——分子水平。構成物質的所有原子和分子都是偶極的。

什麼是偶極子？

幾周前，我的兩個非常要好的外國朋友正在就偶極子這個詞的真正含義進行辯論。比爾引用了韋氏大辭典的話，將偶極子定義為一對相等和相反的電荷，它們以非常小的距離分隔。

然而，山姆指出，磁體的兩端通常被稱為磁偶極，所以偶極子這個詞實際上代表磁性物質。那麼誰是正確的？

公平地說，他們兩者都沒有錯。偶極子是包含兩個相等和相反電荷的物質（擁有電荷可被視為擁有一定量的能量）。電荷可以是電、磁或任何其他型別。在這種情況下，我們可以區分電偶極子和磁偶極子。

電偶極子和磁偶極子的區別是什麼？

電偶極子由一種物質形成，該物質具有兩個相等的電荷，兩電荷由小距離隔開，帶電符合方向的相反。電偶極子的最好例子是一個電子和一個質子（氫）的原子。質子作為正電荷的來源，而電子則具有同等數量的負電荷。

圖注：氫原子-一種簡單的電偶極子

磁偶極子與電偶極子非常相似，只不過它由磁電荷組成。簡單的棒磁鐵是磁偶極子的最佳例子。條形的一端構成北極，另一端為南極，一根均勻的棒磁鐵兩端的磁電荷量是相同的。北極吸引南極，反之亦然。

圖注：條形磁鐵什麼是偶極矩？

偶極子矩是可測量的數量，就像質量、體積或速度一樣，它是偶極物質被量化和區分的特徵。

計算具有兩個電荷的簡單系統的偶極子矩的公式指出，偶極子矩是電荷量和分離相反電荷的距離的積。更復雜的系統具有更復雜的公式，所有這些都來自基本公式。

圖注：偶極矩測量

例如，假設一個由兩個相反的電荷組成的系統，每個電荷為 1 庫侖，距離為 1 奈米。這種系統的偶極矩是10^(-9)庫侖米。

庫侖米是適用於電偶極矩的SI單元。然而，分子偶極子矩太小，無法用該單位進行有效測量。

因此，為了測量分子鍵的偶極子矩，使用一種稱為 Debye (D) 的單位 (1D=3.33564×10^(-30 )Cμm）。

在原子水平上，由於電荷分佈不均勻而產生偶極子。假設一個原子的電子海圍繞在固定軌道上的中央質子旋轉，但順序是隨機的。 現在，隨時暫停這種情況，選擇一對質子和一個電子。

你看到什麼了？ 偶極子是由一對同樣和相反的帶電的物種形成的。類似地，其他偶極子數量等於原子中電子的數量，它們的偶極子矩將會合併產生一個物種的淨偶極子矩。

永久偶極子和臨時偶極子之間的區別是什麼？

由於分子內部兩個原子之間的電子電率（對電子的相對吸引力）的差異，產生了永久偶極子。

讓我們以氟化氫為例。氟的電子性大於氫，因此，氟將所有電子拉向自身，成為負極。反過來，氫有過量的質子，成為正極。這種具有永久偶極子矩的分子被稱為極性分子。

瞬時偶極子是臨時偶極子。在原子內部，電子以固定路徑圍繞原子核旋轉，但其運動是隨機的。有時，這些電子更集中在一個特定的區域。這就產生了瞬時或臨時偶極子。該機制與原子偶極子的形成所解釋的相似。

這些偶極子的量小，只在很短的一段時間內相關。然而，它們在許多分子現象中起著重要作用。在氧氣和二氧化碳等幾種非極分子中所看到的倫敦力(色散力)就是最好的例子。

什麼是四極杆？

隨著世界各地的研究人員發現越來越多的偶極子，他們面臨著一個奇怪的模糊性——是偶極子的極限嗎？他們的問題很快就得到了回答，發現了一個四極杆。

四極杆由四個不同的單極組成，它們具有相反的符號（每個符號有兩個），大小相等，以完全對稱分佈來表示理想系統。單極可以是電荷、磁極，甚至是簡單的質量。如前所述，質量是一個極性實體，質量或物質的對立面稱為反物質。

圖注：一個簡單的電子四極杆

為了更好地理解四極，讓我們看一個例子。

考慮兩個正電荷和兩個負電荷。將這些電荷以交替的方式排列在正方形的角落上。最終結果與上圖所示類似。該系統的總淨電荷為零，其偶極子矩也將為零，因為兩個對立的偶極子相互抵消。

然而，無論粒子的方向如何，該系統的四極極矩都不可能降低到零。這種現象的確切原因仍在世界各地研究！

結論

從我們迄今所瞭解到的偶極子中，有一點是很清楚的，它們原則上非常簡單，工作同樣複雜。發生在我們周圍的許多現象可以歸因於原子和分子的偶極性質。其中包括簡單的事物，如水的流動性，以及諸如組織鬆弛之類的複雜的事物。

總之，雖然它們的功能在日常生活中可能並不明顯，但偶極子對我們非常重要。