Атомная диффузия - Atomic diffusion
Атомная диффузия - это процесс диффузии, при котором случайное термически активируемое движение атомов в твердом теле приводит к общему переносу атомов. Например, атомы гелия внутри воздушного шара могут диффундировать через стенку воздушного шара и улетучиваться, в результате чего воздушный шар медленно сдувается. Другие молекулы воздуха (например, кислород , азот ) обладают меньшей подвижностью и, следовательно, медленнее диффундируют через стенку баллона. В стенке шара существует градиент концентрации, потому что шар изначально был заполнен гелием, и поэтому внутри много гелия, но относительно мало гелия снаружи (гелий не является основным компонентом воздуха ). Скорость переноса определяется коэффициентом диффузии и градиентом концентрации.
В кристаллах
В кристаллическом твердом состоянии диффузия внутри кристаллической решетки происходит либо по механизму внедрения, либо по механизму замещения и называется решеточной диффузией . При межузельной решеточной диффузии диффузант (например, C в железном сплаве) будет диффундировать между решетчатой структурой другого кристаллического элемента. При решеточной диффузии замещения ( например, самодиффузия ) атом может перемещаться, только замещая место другим атомом. Решеточная диффузия замещения часто зависит от наличия точечных вакансий по всей кристаллической решетке. Рассеивающиеся частицы перемещаются от точечной вакансии к точечной вакансии быстрыми, по существу случайными скачками ( скачкообразная диффузия ).
Поскольку преобладание точечных вакансий увеличивается в соответствии с уравнением Аррениуса , скорость диффузии кристаллов в твердом состоянии увеличивается с температурой.
Для одиночного атома в бездефектном кристалле движение можно описать моделью « случайного блуждания ». В трехмерном представлении можно показать, что после скачков длины атом переместится в среднем на расстояние:
Если частота скачков выражена как (в скачках в секунду), а время дано как , то пропорционально квадратному корню из :
Диффузия в поликристаллических материалах может включать механизмы диффузии при коротком замыкании. Например, вдоль границ зерен и некоторых кристаллических дефектов, таких как дислокации, имеется больше открытого пространства, что обеспечивает более низкую энергию активации для диффузии. Поэтому диффузию атомов в поликристаллических материалах часто моделируют с использованием эффективного коэффициента диффузии , который представляет собой комбинацию коэффициентов диффузии решетки и границ зерен . В общем, поверхностная диффузия происходит намного быстрее, чем зернограничная диффузия , а зернограничная диффузия происходит намного быстрее, чем решеточная диффузия .