Диффузия тела

1. Примеры явления диффузии
2. Диффузия тел на поверхности
3. Диффузия твердых тел

Вещества могут проникать друг в друга, либо одно из них может проникать в другое. Если концентрация одного вещества распределена равномерно, а второго – не равномерно, то перемещение молекул второго вещества будет происходить в направлении от большей концентрации к меньшей. Иными словами, в сторону, противоположную направлению вектора градиента концентрации.

Примеры явления диффузии

Диффузия может происходить с телами во всех трех агрегатных состояниях. Самыми распространенными и наглядными примерами диффузии тел являются:

• смешивание газообразных веществ, например, распространение запаха;
• смешивание жидкостей, например, когда капля краски попадает в воду и окрашивает её;
• смешивание твёрдых тел. Атомы и молекулы двух металлов будут смешиваться в точке контакта.

Важным явлением диффузия является в физике плазмы. Быстрота протекания процесса диффузии зависит от многих факторов. Если рассмотреть металлический стержень, то тепловая диффузия в нём будет происходить очень быстро. А в случае со стержнем, изготовленным из синтетических материалов, скорость тепловой диффузии будет намного меньшей.

Ещё меньшей будет скорость диффузии твердых веществ. Когда медь покрывают золотом, наблюдается диффузия золота в медь. Однако, в условиях нормального атмосферного давления при комнатной температуре наблюдается крайне медленный процесс диффузии, толщиной всего несколько микрон на протяжении 1000 лет.

Не нашли то, что искали?

Попробуйте обратиться за помощью к преподавателям

Тип работы Выберите тип работыКонтрольнаяРешение задачКурсоваяРефератОнлайн-помощьТест дистанционноДипломЛабораторнаяЧертежОтчет по практикеЭссеОтветы на билетыПрезентацияПеревод с ин. языкаДокладСтатьяСочинениеМагистерская диссертацияКандидатская диссертацияБизнес-планПодбор литературыШпаргалкаПоиск информацииРецензияДругое

Предмет

E-mail

Узнать стоимость

это быстро и бесплатно

Еще один пример диффузии – это наложение слитка из свинца на слиток из золота. При этом через 5 лет под воздействием свинца слиток золота прогнётся на 1 см, что говорит об их диффузии.

Диффузия тел на поверхности

Способность перемещаться в процессе поверхностной диффузии имеют сами атомы, находящиеся в структуре твёрдого тела, и адсорбированные частицы, которые могут быть представлены кластерами, молекулами или атомами.

Зачастую поверхностные частицы активизируется под воздействием случайных тепловых флуктуаций. При наличии градиента концентрации, в случае поверхностной концентрации, случайно блуждающие частицы, если их много, провоцируют усредненное диффузионное перемещение в сторону, противоположную направлению градиента.

Процесс диффузии происходит под влиянием взаимодействия диффундирующих частиц, формирования поверхностных фаз (реконструкций), присутствия дефектов разнообразного характера и прочих факторов.

Явление поверхностной диффузии является определяющим при увеличении тонкой пленки, формировании наноструктур на поверхностях спекания керамики и в ряде других случаев.

Диффузия твердых тел

При комнатной температуре процесс диффузии твердых тел протекает практически незаметно. Если один металл покрыт тонким слоем другого металла, то их диффузия не будет видимой на протяжении длительного времени.

В то же время, если начать нагревать эти металлы до высоких температур, то процесс диффузии ускорится во много раз и станет заметным. Атомы одного металла будут проникать в середину другого с видимой скоростью.

Данное явление применяется, например, при изготовлении полупроводников для улучшения их свойств. При этом в полупроводник под воздействием высоких температур вводят специальные легирующие примеси.

Для лучшего понимания процесса диффузии твердых тел необходимо знать основные сведения об их кристаллической решетке. В равновесном состоянии вещества его атомы совершают колебательные движения в узлах кристаллической решетки. В идеальной кристаллической решетке все эти узлы совершенно одинаковы и процесс диффузии в принципе невозможен. Но в кристаллических решетках реальных веществ при определённой температуре присутствует некоторое количество термических дефектов, которые проявляются как нарушения кристаллической структуры.

При повышении температуры вещества происходит процесс возрастания равновесных концентраций вакансий и отдельных атомов, а при понижении температуры начинают исчезать некоторые дефекты на стоках. Такими стоками могут быть и другие дефекты кристаллической решетки, к примеру, дислокации.

При наличии подобных дефектов кристаллической решетки процесс диффузии в твердых телах становится более или менее понятным.

Сложно разобраться самому?

Попробуйте обратиться за помощью к преподавателям

Тип задания Выберите тип заданияКонтрольнаяРешение задачКурсоваяРефератОнлайн-помощьТест дистанционноДипломЛабораторнаяЧертежОтчет по практикеЭссеОтветы на билетыПрезентацияПеревод с ин. языкаДокладСтатьяСочинениеМагистерская диссертацияКандидатская диссертацияБизнес-планПодбор литературыШпаргалкаПоиск информацииРецензияДругое

Предмет

E-mail

Узнать стоимость

это быстро и бесплатно

Допустим, рядом с атомом в кристаллической решетке находится вакантный узел. В этой ситуации колеблющийся атом может перескочить из своего узла решетки в вакантный узел в соответствии с "вакансионным механизмом диффузии". При отсутствии внешних воздействий данный процесс будет определять неравновесная характеристика образца, например, градиент температуры. При этом каждое значение температуры соответствует определённому количеству таких вакантных узлов:

\(n_{ву} = exp⁡({-E_{ву} \over kT}),\)

где \(E_{ву}\) – энергия, затрачиваемая на образование одного вакантного узла.

Для всех температур, ниже точки плавления, равновесное число вакантных узлов составляет значение, в разы меньшее, нежели количество узлов кристаллической решетки:

\({n_{ву}\over N}=1.\)

Под воздействием внешних сил процесс диффузии происходит несколько иначе. Рассмотрим пример воздействия силы электрического поля на ионный кристалл. При этом ионная электропроводность и коэффициент диффузии будут связаны соотношением Эйнштейна:

\(D=f {σkT\over Nq^2},\)

где \(f\) – поправочный коэффициент;

      \(N\) – ионная концентрация.

Таким образом, под воздействием электрического поля при наличии градиента ионной концентрации в кристалле возникнет ток плотности:

\(σ=qN(x) B_И,\)

где \(σ\) – величина удельной электропроводности;

      \(B_И\) – двигательная активность ионов.

В условиях статического равновесия полный ток будет приравниваться к нулю.

\(E= {-dU \over dx},\)

где \(U\) – потенциал электрического поля в условиях равновесия.

\(-qN(x) B_И {dU\over dx}=qD{dN\over dx}.\)

В результате получается

\(D=B_И {kT \over q}={σkT \over Nq^2}\)

В данном процессе наблюдается отступление в ионных кристаллах от обычного соотношения удельной электропроводности и коэффициента диффузии. Поэтому в данной формуле содержится поправочный коэффициент \(f\). Таким образом, в процессе диффузии посредством замещения вакантных узлов коэффициент диффузии помеченного атома будет зависеть от корреляции его скачков.