Дифузія тіла

Дифузія тіла (розсіювання) є процесом, що сприяє взаємному проникненню молекул (атомів) однієї речовини між такими ж частками іншого. В кінцевому підсумку це буде виражатися в мимовільному вирівнюванні їх концентрацій по всьому займаному обсягу.

Бувають приклади, коли у одного з речовин вже присутній вирівняна концентрація і мається на увазі дифузія одного речовини в іншому. При цьому перенесення речовини буде здійснюватися з області з високою концентрацією в область з більш низькою (тобто, в протилежному від напрямку вектора градієнта концентрації).

Приклади дифузії тіл

Дифузія може бути застосовна до тіл рідкого, твердого або газоподібного типу. Як яскравих прикладів дифузії тіл виступають:

  • перемішування газів (це може стосуватися, наприклад, до поширення запахів);
  • перемішування рідин (при попаданні краплі чорнила в воду вона повністю забарвиться в цей колір);
  • перемішування на прикладі твердих тіл (атоми стикаються один з одним металів перемішуватимуться на кордоні дотику).

Суттєве значення дифузія частинок буде мати у фізиці плазми. Сама швидкість протікання дифузії буде залежною від безлічі факторів. У разі металевого стержня, наприклад, теплова дифузія здійснюється на дуже великій швидкості. За умови виготовлення стержня з синтетичного матеріалу, буде фіксуватися повільна швидкість дифузії.

Ще більш повільно процес дифузії спостерігається відносно одного твердого речовини в інше. За умови, що мідь покрита золотом, наприклад, ми спостерігаємо дифузію золота в мідь. У той же час, при нормальному атмосферному тиску і кімнатній температурі вже фіксується дуже повільний за часом процес досягнення золотовмісної шару товщини в кілька мікронів (через тисячі років).

Ще одним прикладом дифузії тіл може бути накладення свинцевого злитка на золотий. В результаті, за період в 5 років під вагою свинцю, золотий злиток прогнеться на один сантиметр, що свідчить про проникнення одного тіла в інше.

Поверхнева дифузія тіл

Поверхнева дифузія тіл вважається процесом, пов’язаним (як і при об’ємної дифузії) з переміщенням самих частинок (кластерів, молекул або ж атомів), який виконується на поверхні конденсованих тіл в межах першого поверхневого атомного (молекулярного) шару або поверх цього шару.

Здатністю переміщень, завдяки поверхневої дифузії, мають:

  • атоми, які знаходяться в складі самого твердого тіла;
  • адсорбовані частинки у вигляді кластерів, молекул або атомів.

Як правило, рухливість поверхневих частинок активізується, завдяки впливу випадкових теплових флуктуацій (зазвичай це можуть бути молекули або атоми). За умови присутності градієнта концентрації (поверхнева концентрація) випадкове блукання великої кількості частинок спровокує їх усереднений дифузійний рух в протилежному градієнту напрямку.

На процес дифузії вплив роблять різні фактори:

  • взаємодія дифундують частинок;
  • формування поверхневих фаз (реконструкцій);
  • присутність дефектів різного характеру та ін.

Поверхнева дифузія стає визначальною для процесів збільшення тонких плівок, а також формування наноструктур на поверхні спікання кераміки.

Процес дифузії в твердих тілах

В умовах кімнатної температури, ми зазвичай не спостерігаємо прояв дифузії в твердих тілах. Дуже тонке за своєю структурою покриття одного металу іншим буде зберігатися тривалий час в практично незмінному стані.

При цьому, якщо температура зафіксована в кілька сотень градусів, покриття вже не будуть зберігатися: дифузія провокує проникнення атомів покриття вглиб підкладки з помітною швидкістю. Така обставина може застосовуватися, наприклад, в напівпровідниковій техніці з метою введення в напівпровідник спеціальних легуючих домішок за умови температури в кілька сотень градусів.

Механізм процесів дифузії в твердих тілах краще розуміється при використанні інформації про їх кристалічній структурі. У стані рівноваги атоми твердого тіла здійснюють теплові коливальні рухи поруч з вузлами кристалічної решітки. Всі вузли таких грат в ідеальній структурі твердого тіла виявляються абсолютно рівнозначними, а сам процес дифузії стає неможливим. Поряд з тим, в реальному кристалі буде присутній (при заданій температурі) певне число термічних дефектів, які проявляються у вигляді порушень кристалічної решітки.

У ситуації з підвищенням температури кристала, спостерігається зростання рівноважних концентрацій вакансій, а також міжвузлових атомів, а в умови зниження температури, почне зникати на стоках частина дефектів. Роль подібних стоків можуть виконувати деякі інші дефекти решітки, наприклад, дислокації.

При такому дефекті структури кристалічної решітки механізм дифузії в твердому тілі стає зрозумілим. Нехай в сусідстві з розташованим в вузлі решітки атомом буде розташовуватися вакантний вузол (дірка).

В такому випадку коливальний рух атомів може спровокувати перескакування атома з вузла решітки в вакантний вузол на підставі «вакансійного механізму дифузії». За відсутності зовнішніх сил процес дифузії буде визначатися нерівноважної характеристикою зразка (градієнт температур, наприклад). Кожній температурі при цьому буде відповідати певний рівноважний кількість дірок

ПОДІЛИТИСЯ:

Дивіться також:
Нафта