Атомная диффузия

Ионы H ⁺ диффундируют в решетке O ^2-суперионного льда.

Атомная диффузия - это процесс диффузии, при котором случайное термически активируемое движение атомов в твердом теле приводит к общему переносу атомов. Например, атомы гелия внутри воздушного шара могут диффундировать через стенку воздушного шара и улетучиваться, в результате чего воздушный шар медленно сдувается. Другие молекулы воздуха (например, кислород , азот) имеют более низкую подвижность и, следовательно, медленнее диффундируют через стенку шара. В стенке шара существует градиент концентрации, потому что шар изначально был заполнен гелием, и поэтому внутри много гелия, но относительно мало гелия снаружи (гелий не является основным компонентом воздуха ). Скорость переноса определяется коэффициентом диффузии и градиентом концентрации.

В кристаллах [ править ]

Диффузия атомов по 4-координатной решетке. Обратите внимание, что атомы часто блокируют перемещение друг друга на соседние узлы. Согласно закону Фика , чистый поток (или движение атомов) всегда имеет направление, противоположное градиенту концентрации .

В твердом кристаллическом 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 решетчатой структурой другого кристаллического элемента. При решеточной диффузии замещения ( например, самодиффузия ) атом может двигаться, только замещая место другим атомом. Решеточная диффузия замещения часто зависит от наличия точечных вакансий по всей кристаллической решетке. Рассеивающиеся частицы перемещаются от точечной вакансии к точечной вакансии быстрыми, по существу случайными скачками (скачкообразная диффузия ).

Поскольку преобладание точечных вакансий увеличивается в соответствии с уравнением Аррениуса , скорость диффузии кристаллов в твердом состоянии увеличивается с ростом температуры.

Для одиночного атома в бездефектном кристалле движение можно описать моделью « случайного блуждания ». В трехмерном представлении можно показать, что после скачков длины атом переместится в среднем на расстояние: ${\ displaystyle n}$ ${\ displaystyle \ alpha}$

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

Если частота скачков выражена как (в скачках в секунду), а время дано как , то пропорционально квадратному корню из : ${\ displaystyle T}$ ${\ displaystyle t}$ ${\ displaystyle r}$ ${\ displaystyle Tt}$

{\ displaystyle r \ sim {\ sqrt {Tt}}.}

Диффузия в поликристаллических материалах может включать механизмы диффузии при коротком замыкании. Например, вдоль границ зерен и некоторых кристаллических дефектов, таких как дислокации, имеется больше открытого пространства, что обеспечивает более низкую энергию активации для диффузии. Поэтому диффузию атомов в поликристаллических материалах часто моделируют с использованием эффективного коэффициента диффузии , который представляет собой комбинацию коэффициентов диффузии решетки и границ зерен . В общем, поверхностная диффузия происходит намного быстрее, чем зернограничная диффузия , а зернограничная диффузия происходит намного быстрее, чем решеточная диффузия .

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

^ Heitjans, P .; Каргер, Дж., Ред. (2005). Диффузия в конденсированных средах: методы, материалы, модели (2-е изд.). Бирхаузер. ISBN 3-540-20043-6.

Внешние ссылки [ править ]

Классическая и наноразмерная диффузия (с фигурами и анимацией)

[1] Heitjans, P .; Каргер, Дж., Ред. (2005). Диффузия в конденсированных средах: методы, материалы, модели (2-е изд.). Бирхаузер. ISBN 3-540-20043-6.

[1]