Определение и примеры протекания диффузии в твёрдых телах

Молекулы и атомы способны проникать из одного тела в другое. Этот процесс называют диффузией. В твёрдых телах взаимодействие происходит на границе соприкосновения, в то время как в газе она вызывается перемешиванием. Но и тот и другой процесс подчиняется одним законам. Причём важным параметром считается скорость процесса. Изучение взаимосвязи очень важно для физики, особенно при исследованиях плазмы.

Оглавление:

• Общие сведения
• Диффундирование частиц
• Рассуждения о процессе
• Коэффициент диффузии

Общие сведения

Твёрдое тело представляет собой вещество, состоящее из кристаллической решётки с упорядоченно расположенными атомами. Существует 14 типов строения, различающихся по форме пространственной системы. Из них можно выделить: триклинную, моноклинную, ортодромическую, тетрагональную, кубическую. Причиной разных видов решёток является размер атома и электронная конфигурация внешних оболочек.

Частицы в телах могут образовывать как монокристалл, так и аморф. Во втором случае просматривается хаотичное расположение атомов. Связи между элементами решётки обусловлены электрическими силами. Однако, кроме межатомной связи, существует и межмолекулярная. Соединения бывают трёх видов:

1. Ковалентными — возникают из-за обмена электронов в соседних атомах.
2. Ионными — создаются кулоновским взаимодействием между ионами с разным зарядом.
3. Металлическими — происходит за счёт перекрытия валентных электронов.

Особенность твёрдых тел, что они имеют различную концентрацию свободных электронов, влияющих на электропроводность. По сути, это частицы, сочетающие понятие структурной единицы материи и движения. Важнейшим описанием структуры тела является диаграмма распределения электронов по уровням энергии.

В твёрдом состоянии структура вещества находится в состоянии равновесия. При этом тепловые движения в решётке происходят упорядочено и характеризуются малыми колебаниями, поэтому тела имеют более низкий уровень энергии по сравнению с жидкой или газообразной фазой. Фактически механизм модели твёрдого тела удовлетворяет двум требованиям: возникновение силы притяжения между частицами и отталкивание при сближении.

Притягивание и отталкивание можно наблюдать как при химической связи, так и в органических соединениях. В равновесном состоянии система сбалансирована, то есть энергия в кристаллической решётке не изменяется.

Движение свободных зарядов компенсируется друг с другом. Но если к веществу приложить внешнее воздействие, будь то магнитное или электрическое поле, нагрев, будет наблюдаться диффузия.

Диффундирование частиц

На самом деле процесс диффузии протекает всегда. Но в обычном состоянии (равновесии) он может занимать несколько лет. Наиболее это характерно для высокой плотности веществ. Так как промежутки между частицами небольшие, веществам трудно проникнуть между ними. Перенос частиц, вызванный неконтролируемым движением, называют диффузией. Это определение подходит как к жидкостям, так и газовым веществам.

Протекать процесс будет тем быстрее, чем выше происходит нагрев тела. Из химии известно, что диффундировать могут атомы и ионы.

При этом чем больше вещество содержит примесей, включений другого тела, тем наиболее вероятнее, что реакция будет протекать с высокой скоростью. Структурную решётку с инородными телами называют примесной или гетеродиффузионной.

Дефекты обычно представляют вкрапления междоузельных атомов и вакансии.

Механизм диффундирования бывает:

1. Вакансионный — связан с перемещением атомов через узлы решётки путём миграции вакансий. В любом твёрдом веществе содержатся пустоты, то есть позиции, не занятые частицами. При воздействии связь атома может быть нарушена, и он перескочит на вакантное место. Его же прежняя позиция станет пустотой.
2. Межузельный — заключается в переносе вещества межузельными частицами. Если их в решётке много, они легко передвигаются с высокой интенсивностью.
3. Обменный — происходит прямая замена частиц, то есть они меняются местами. Это самый простой способ, происходящий за счёт прыжка.

Наиболее характерным примером диффузии в твёрдых телах является эксперимент со сдавливанием свинцовой и золотой пластины. В обычном состоянии при комнатной температуре только через 5 лет в свинце можно обнаружить частички золота. Это объясняется тем, что плотность свинца выше золота. Если же конструкцию подвергнуть подогреву, например, нагревать до 200 градусов в течение 10 дней, то в разрезе будет хорошо видно перемешивание структур металлов.

Пожалуй, наглядней можно привести пример с пластилином. Если взять дома 2 куска пластичного вещества разного цвета в руки и переминать их вместе некоторое время (подвергнуть деформации), можно явно наблюдать, как будет проходить смешение красок.

Причиной этому и есть процесс диффузии.

Рассуждения о процессе

Несмотря на то что энергию, которая вызывает диффундирование, называют активацией, по мнению учёных, процесс диффузии присутствует постоянно в любом физическом теле. Внешнее воздействие может только повлиять на интенсивность реакции. При этом, как отмечают физики, в теле одновременно происходят все виды процесса.

В реальности бездефектных твёрдых веществ практически невозможно встретить. Они могут выглядеть как дислокации, упаковки, границы зёрен. Достоверно установлено, что скорость перемещения атомов в различных частях тела разная. Это как раз и обусловлено количеством и размером дефектных областей.

Наиболее важную роль играет переход атомов в незанятые места. Происходит он в направлении, обратном перемещению атомов. Но если для монокристалла существует закономерность перемещения частиц в одном направлении, для поликристалла характерно заполнение вакансий по границе зёрен.

Самодиффузию (перемещение в теле собственных атомов) удалось подтвердить, изучая радиоактивные вещества, частицы которых легко определить по излучению. Для любого изменения положения нужно затратить энергию. Коэффициент числа собственных замещений в твёрдом теле можно найти как отношение постоянной решётки к среднему времени пребывания атома в узле: D = a2 / (6 * t). Получить её можно за счёт флуктуаций с вероятностью, описываемой формулой Больцмана: n / n0 = e-q/kt. Где q — количество нужной энергии для диффузии, а k — постоянная Больцмана (справочная величина).

Возможный процесс диффузии характерен для веществ способных подвергаться испарению. Хотя в этом случае происходит отрыв атомов с поверхностного слоя. При этом нет оснований утверждать, что он не затрагивает внутреннюю решётку. В седьмом классе средней школы ученикам механизмы диффузии объясняют на рисунках. На картинках изображают кристаллическую решётку и возможные пути перемещения атомов. Это довольно наглядный и понятный способ, доступный к пониманию ученикам.

Процесс диффузии для некоторых областей производства является полезным. Так, его используют для устранения дефектных групп в металлах и неоднородностей в сплавах при отжиге.

С помощью механизма замещения происходит порошковое спекание, насыщение металлов углеродом, азотом. Например, легируя керамику V2O, удалось получить прозрачную структуру, являющуюся энергетически выгодной.

Коэффициент диффузии

Коэффициент для пары диффундирующих веществ можно определить не только опытным путём, но и по порядку значения из модельных соображений. Какой способ выбрать, зависит от возможности исследователя. И тот и другой показывает примерно одинаковые результаты. Но нужно принять во внимание, что частица при случайном блуждании проходит расстояние равное: L² = D * t. В свою очередь, в газовом виде коэффициент можно определить из формулы: D = (l * v) / 3 = (V² * t) / 3, где v — средняя скорость, t — время между ударами.

Поверхностную концентрацию можно вычислить из произведения параметра расстояния решётки и объёмного числа: n = l * C. Суммарный поток, который проходит через единицу поперечного сечения, можно найти, используя выражение: j = (n1 — n2) * V / 6. В этой формуле учитывается, что при скачках частиц их направление прыжка будет случайным. Если же использовать равенство (n 1 — n 2) = - l dC / dx, коэффициент можно найти как D = v * l² / 6.

Для оценки коэффициента в жидкостях используется формула Стокса — Эйнштейна: D = U * k * T, где: u — величина подвижности.

Анализируя приведённые формулы, можно отметить их похожесть на правила нахождения теплопроводности, что объясняется сходными механизмами.