Атомный диффузия

редактировать

Ионы H, диффундирующие в решетке O суперионного льда

Атомная диффузия - это процесс диффузии посредством чего случайное термически активируемое движение атомов в твердом теле приводит к чистому 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 ) имеют более низкую подвижность и, таким образом, медленнее диффундируют через стенку баллона. В стенке шара имеется градиент концентрации, поскольку шар изначально был заполнен гелием, и поэтому внутри много гелия, но относительно мало гелия снаружи (гелий не является основным компонентом воздух ). Скорость переноса определяется коэффициентом диффузии и градиентом концентрации.

Содержание

1 В кристаллах
2 См. Также
3 Ссылки
4 Внешние ссылки

В кристаллах

Диффузия атомов через 4-скоординированную решетку. Обратите внимание, что атомы часто блокируют перемещение друг друга на соседние узлы. Согласно закону Фика, чистый поток (или движение атомов) всегда имеет направление, противоположное направлению концентрации градиента.

в твердом состоянии кристалла, диффузия внутри кристаллической решетки происходит либо по межузельным механизмам, либо по механизмам замещения и называется решеточной диффузией. При межузельной решеточной диффузии диффузант (такой как C в сплаве железа) 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 может быть описано моделью «случайного блуждания ». В трехмерном пространстве можно показать, что после $n {\ displaystyle n}$ $n$ прыжков длиной $α {\ displaystyle \ alpha}$ $\ alpha$ атом переместится, в среднем расстояние:

r = α n. {\ displaystyle r = \ alpha {\ sqrt {n}}.}

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

Если частота скачка задана как $T {\ displaystyle T}$ $T$ (в скачках в секунду) и время задано как $t {\ displaystyle t}$ $t$ , тогда $r {\ displaystyle r}$ $r$ пропорционально квадратному корню из $T t {\ displaystyle Tt }$ $Tt$ :

r ∼ T t. {\ displaystyle r \ sim {\ sqrt {Tt}}.}

r \ sim \ sqrt {Tt}.

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. Атомная диффузия в поликристаллических материалах поэтому часто моделируется с использованием эффективного коэффициента диффузии, который представляет собой комбинацию решетки и коэффициентов диффузии по границам зерен. В общем, поверхностная диффузия происходит намного быстрее, чем зернограничная диффузия, а зернограничная диффузия происходит намного быстрее, чем решеточная диффузия.

См. Также

Ссылки

Внешние ссылки

Классическая и наноразмерная диффузия (с рисунками и анимацией)