Dyfuzja atomowa

H ⁺ dyfundujące w siatce O ² lodu superjonowego

Dyfuzja atomowa jest procesem dyfuzyjnym , w którym losowy, aktywowany termicznie ruch atomów w ciele stałym skutkuje transportem netto atomów. Na przykład helu wewnątrz balonu mogą dyfundować przez ściankę balonu i uciekać, powodując powolne opróżnianie balonu. Inne cząsteczki powietrza (np. tlenu , azotu ) mają mniejszą ruchliwość i wolniej dyfundują przez ściankę balonu. W ściance balonu występuje gradient stężeń, ponieważ balon był początkowo wypełniony helem, a więc w środku jest dużo helu, ale na zewnątrz jest stosunkowo mało helu (hel nie jest głównym składnikiem powietrze ). Szybkość transportu zależy od dyfuzyjności i gradientu stężeń.

W kryształach

Dyfuzja atomowa w sieci 4-skoordynowanej. Należy zauważyć, że atomy często blokują sobie wzajemne przemieszczanie się do sąsiednich miejsc. Zgodnie z prawem Ficka strumień wypadkowy (lub ruch atomów) jest zawsze przeciwny do gradientu stężeń .

W krystalicznym stanie stałym dyfuzja w sieci krystalicznej zachodzi za pomocą mechanizmów śródmiąższowych lub substytucyjnych i jest określana jako dyfuzja sieciowa . W dyfuzji sieci śródmiąższowej dyfuzor (taki jak C w stopie żelaza) będzie dyfundował między strukturą sieciową innego pierwiastka krystalicznego. W dyfuzji sieci substytucyjnej ( samodyfuzja ) atom może się poruszać tylko poprzez zastąpienie miejsca innym atomem. Dyfuzja sieci substytucyjnej jest często uzależniona od dostępności wakatów punktowych w całej sieci krystalicznej. Cząsteczki dyfuzyjne migrują z wakatu punktu do wakatu punktu poprzez szybkie, zasadniczo przypadkowe przeskakiwanie ( dyfuzja skokowa ).

Ponieważ występowanie wakansów punktowych wzrasta zgodnie z równaniem Arrheniusa , szybkość dyfuzji kryształu w stanie stałym rośnie wraz z temperaturą.

Dla pojedynczego atomu w krysztale wolnym od defektów ruch można opisać modelem błądzenia losowego . W trójwymiarze można pokazać, że po skokach o długości $displaystyle n}$ przesunie się średnio o odległość: n $\$

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

Jeśli częstotliwość skoków jest określona przez $($ $),$ $Tt}$ czas przez , to jest proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego z $T}$ $Displaystyle$ :

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

Dyfuzja w materiałach polikrystalicznych może obejmować mechanizmy dyfuzji zwarciowej. Na przykład wzdłuż granic ziaren i pewnych defektów krystalicznych, takich jak dyslokacje, jest więcej otwartej przestrzeni, co pozwala na niższą energię aktywacji dla dyfuzji. Dlatego dyfuzja atomowa w materiałach polikrystalicznych jest często modelowana przy użyciu efektywnego współczynnika dyfuzji , który jest kombinacją współczynników dyfuzji sieci i granicy ziaren . Ogólnie rzecz biorąc, dyfuzja powierzchniowa zachodzi znacznie szybciej niż dyfuzja na granicy ziaren i dyfuzja granic ziaren zachodzi znacznie szybciej niż dyfuzja sieci krystalicznej .

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Dyfuzja klasyczna i w nanoskali (z postaciami i animacjami)