Диффузия

Диффузия — это самопроизвольное выравнивание неоднородной концентрации атомов или молекул разного сорта. Если в сосуд впустить порции различных газов, то через некоторое время все газы равномерно перемешаются: число молекул каждого сорта в единице объема сосуда станет постоянным, концентрация выравняется. Если воду и чернила осторожно налить в тонкую — во избежание конвекции — пробирку, в капилляр, то четкая вначале поверхность раздела начнет расплываться, и в конце концов жидкости перемешаются. Перемешиваются и атомы твердых тел, если тела растворяются друг в друге. Только процесс этот гораздо более медленный, и поэтому диффузию в твердых телах впервые наблюдали только в конце прошлого века.

<addc>l</addc>

Частицы, начавшие двигаться одновременно от некоторой прямой, сместились на разные расстояния. Легко, однако, заметить, что среднее смещение равно нулю.

Атомы перемещаются по кристаллу, меняясь местами с пустыми узлами — вакансиями.

Взаимное перемешивание есть следствие беспорядочных блужданий атомов или молекул (или других частиц). Оно реализуется благодаря тепловому движению частиц.

Движения частиц при диффузии совершенно случайны: протяженность очередного смещения частицы произвольна, все направления смещения равновероятны.

Ясно, что при хаотическом движении предсказать смещение отдельной частицы за время [math]t[/math] нельзя: одни частицы почти не сдвинутся с места, другие уйдут довольно далеко. Речь может идти только о смещении, усредненном по всем частицам. Эта задача была впервые решена А. Эйнштейном в 1905 г. применительно к броуновскому движению частиц и на год позже польским физиком М. Смолуховским. Оказалось, что диффузионный путь, т. е. смещение из исходного положения при диффузии, пропорционален корню квадратному из времени диффузии: [math]x_{дифф}≃\sqrt{2Dt},[/math] где [math]D[/math] — коэффициент диффузии.

Возникающий при диффузии перенос вещества и приводит к самопроизвольному выравниванию концентрации различных веществ. Атомы (или молекулы) сорта [math]A[/math] перемещаются туда, где их меньше и где больше атомов сорта [math]B,[/math] и наоборот. В результате происходит диффузионное перемешивание в газах, жидкостях и твердых телах.

Разница концентрации является движущей силой диффузии. Если концентрация всюду одинакова, диффузионный перенос вещества отсутствует. Частицы двигаются, блуждают, но перемешивания не происходит. Примером могут служить блуждания атомов газа, состоящего из частиц одного сорта, т. е. среди себе подобных. Такой процесс называется самодиффузией. Изучать самодиффузию можно только с помощью радиоактивных изотопов. Изотопами называются атомы одного и того же элемента с различной массой, но одинаковым зарядом атомного ядра. Атомы радиоактивного изотопа ничем не отличаются от нерадиоактивных атомов того же элемента в химическом смысле, но испускают радиоактивное излучение и позволяют следить за собой (см. Радиоактивность). Самодиффузия — это выравнивание неоднородности изотопного состава.

Конечно, выравнивание концентрации в результате диффузии происходит только в отсутствие внешних сил. Если разница концентраций существует наряду с разницей температур, в электрическом поле или в условиях, когда существенна сила тяжести (при большой разнице высот), выравнивание концентрации необязательно. Примером может служить уменьшение плотности воздуха с высотой.

Коэффициент диффузии [math]D[/math] характеризует интенсивность теплового движения, приводящего к диффузионному перемешиванию. Порядок величины коэффициентов диффузии в газах [math]10^{−5}[/math] м²/с, в жидкостях — [math]10^{−9}[/math] м²/с, причем и те и другие слабо растут с температурой. В отличие от них коэффициенты диффузии в твердых телах экспоненционально (по формуле [math]y=ex^2[/math]) растут с ростом температуры. Вблизи температуры плавления [math]T_{пл}[/math] коэффициенты самодиффузии всех твердых металлов приблизительно одинаковы и составляют по порядку величины [math]10^{−12}[/math] м²/с. Так как диффузионный путь близок к [math]\sqrt{2Dt},[/math] то при [math]D=10^{−12}[/math] м²с он равен около [math]0,3[/math] мкм за сутки.

При понижении температуры коэффициенты самодиффузии разных металлов остаются приблизительно одинаковыми при одинаковых [math]Т/Т_{пл},[/math] это отношение называют сходственной температурой. При [math]T/T_{пл}≈0,5,[/math] [math]D≈10^{−19}[/math] м²/с и диффузионный путь менее [math]0,1[/math] мкм в сутки.

Таким образом, диффузия в твердых телах протекает намного медленнее, чем в жидкостях и газах. Дело в том, что в газах и жидкостях основной вид теплового движения частиц приводит к их перемешиванию, а в твердых телах, в кристаллах, где атомы совершают малые колебания около положения равновесия узла решетки, нет.

Диффузионные процессы чрезвычайно важны на всех стадиях получения и обработки материалов, особенно в твердом состоянии. Диффузия происходит в чистых металлах и металлических сплавах, оксидах и карбидах, диэлектриках и полупроводниках, в широком диапазоне температур и внешних условий. Именно диффузия в твердых телах обеспечивает соединение металлов при сварке, пайке, хромировании, никелировании, при спекании порошков, позволяет повысить твердость металлов, их прочность и жаропрочность.