Атомная диффузия

В химической физике атомная диффузия — это диффузионный процесс, при котором случайное, термически активируемое движение атомов в твердом теле приводит к чистому переносу атомов. Например, атомы гелия внутри воздушного шара могут диффундировать через стенку воздушного шара и покидать его, в результате чего воздушный шар медленно сдувается. воздуха Другие молекулы (например, кислород , азот ) имеют меньшую подвижность и поэтому медленнее диффундируют через стенку баллона. В стенках баллона существует градиент концентрации , поскольку баллон изначально был наполнен гелием, поэтому внутри его много, а снаружи гелия относительно мало (гелий не является основным компонентом воздуха ). Скорость транспорта определяется диффузией и градиентом концентрации.

В кристаллах

В кристаллическом твердом состоянии диффузия внутри кристаллической решетки происходит либо по механизму внедрения , либо по механизму замещения и называется решеточной диффузией . ^[1] При межузельной решеточной диффузии диффузант (например, C в сплаве железа) будет диффундировать между структурой решетки другого кристаллического элемента. При решеточной диффузии замещения ( например, самодиффузии ) атом может двигаться, только заменяя место другим атомом. Диффузия замещения в решетке часто зависит от наличия точечных вакансий по всей кристаллической решетке. Диффундирующие частицы мигрируют из точечной вакансии в точечную вакансию путем быстрых, по существу случайных прыжков.( прыжковая диффузия ).

Поскольку преобладание точечных вакансий увеличивается в соответствии с уравнением Аррениуса , скорость твердофазной диффузии кристалла увеличивается с температурой.

Для одиночного атома в бездефектном кристалле движение можно описать моделью « случайного блуждания ». В трехмерном измерении можно показать, что после $n$ прыжки в длину $\alpha$ атом переместится в среднем на расстояние:

r=\alpha {\sqrt {n}}.

Если частота скачка определяется выражением $T$ (в скачках в секунду), а время определяется выражением $t$ , затем $r$ пропорциональна квадратному корню из $Tt$ :

r\sim {\sqrt {Tt}}.

Диффузия в поликристаллических материалах может включать механизмы диффузии короткого замыкания. Например, вдоль границ зерен и некоторых кристаллических дефектов, таких как дислокации, имеется больше открытого пространства, что позволяет снизить энергию активации диффузии. Поэтому диффузия атомов в поликристаллических материалах часто моделируется с использованием эффективного коэффициента диффузии , который представляет собой комбинацию коэффициентов решеточной и зернограничной диффузии . В общем, поверхностная диффузия происходит намного быстрее, чем зернограничная диффузия , а зернограничная диффузия происходит намного быстрее, чем решеточная диффузия .

См. также

Ссылки

^ Хейтянс, П.; Каргер Дж., ред. (2005). Диффузия в конденсированном состоянии: Методы, материалы, модели (2-е изд.). Биркгаузер. ISBN 3-540-20043-6 .

Внешние ссылки

Классическая и наномасштабная диффузия (с фигурами и анимацией)

[1] Хейтянс, П.; Каргер Дж., ред. (2005). Диффузия в конденсированном состоянии: Методы, материалы, модели (2-е изд.). Биркгаузер. ISBN 3-540-20043-6 .

[1]