Дифузія в твердих тілах

В силу особливостей механізму протікання дифузія в твердих тілах – процес малоймовірний. Чи не дивлячись на люди навчилися використовувати його в промисловості.

Механізм

Під дифузією в твердих тілах розуміють процес взаємопроникнення молекул і атомів між різними речовинами. Незважаючи на те, що загальний опис схоже з тим, яке дають дифузії в газах, її механізми істотно відрізняються.

Причина тому одна: в твердих тілах атоми пов’язані в жорстку структуру, яка називається кристалічною решіткою. Тому рух атомів носить характер малих коливань навколо вузлів – точок, де їх потенційна енергія мінімальна. При наявності додаткової енергії вони можуть залишати вузли. Така ймовірність визначається рівнянням Больцмана.

Енергію атом може отримати ззовні або в результаті флуктуацій, так як в твердих тілах, так само як і в газах, деякі атоми можуть коливатися швидше і сильніше, ніж інші. Далі можливі два механізми:

  • Атом займає вільний вузол (вакансію, звідси і назва – вакансійних механізм) в решітці іншого тіла,
  • Атом мігрує в просторі між вузлами, поки не займе вакансію.

Існує також третя можливість, коли близько розташовані атоми міняються місцями, але роль цього механізму незначна. З усіх трьох найбільший інтерес представляє вакансійних, хоча на практиці в дифузії беруть участь всі три механізми відразу. Для його опису застосовують поняття градієнта щільності вакансій аналогічно градієнту концентрації газу.

На відміну від газів, в твердих тілах дифузія малоймовірна, а швидкість її низька (в звичайних умовах це може тривати роками), оскільки для її здійснення необхідно, щоб поруч з атомом, що володіє високою енергією, виявився вільний вузол. Ключ до її подолання в рівнянні Больцмана. З нього випливає, що ймовірність дифузії зростає по експоненті при підвищенні температури тіла.

Іншою особливістю твердих тіл в порівнянні з газами є можливість самодифузії. 

Докази

Для того, щоб переконатися в існуванні дифузії в твердих тілах, використовують явище радіоактивності. Атоми одного речовини як би позначають радіоактивним елементом і по випромінюванню останнього відстежують процес дифузії. При кімнатних температурах це займає тривалий час.

Наприклад, якщо під пресом затиснути пластини різних металів, між ними почнеться дифузія, і через кілька років утворюється шар змішаного речовини товщиною близько міліметра. Процес істотно прискорюється при приміщенні пластин в печі. Для цього простіше взяти метали різного кольору, наприклад, свинець і мідь (золото, срібло). Розрізавши дві пластини перпендикулярно поверхні зіткнення, можна побачити, що межа між ними нерівна, що метали проникають одна в одну.

Дифузія в твердих тілах застосовується для легування напівпровідників, для усунення неоднорідностей в сплавах (при відпалі), насичення деталей газами, спіканні порошків і в інших методах роботи з металами.

Що ми дізналися?

В ході уроку розглянули приклади дифузії в твердих тілах, розібралися з трьома механізмами її виникнення і з їх особливостями, привели деякі залежності і рівняння, що описують цей складний процес.

ПОДІЛИТИСЯ: