Атомная диффузия - Atomic diffusion

ЧАС⁺ ионы, диффундирующие в O^2- решетка из суперионный лед

Атомная диффузия это распространение процесс, при котором случайное термически активируемое движение атомы в твердый приводит к чистому переносу атомов. Например, гелий Атомы внутри воздушного шара могут диффундировать через стенку воздушного шара и улетучиваться, в результате чего воздушный шар медленно сдувается. Другой воздух молекулы (например. кислород, азот ) обладают меньшей подвижностью и, следовательно, медленнее диффундируют через стенку шара. В стенке шара существует градиент концентрации, потому что шар изначально был заполнен гелием, и, таким образом, внутри много гелия, но относительно мало гелия снаружи (гелий не является основным компонентом воздуха ). Скорость переноса определяется коэффициентом диффузии и градиентом концентрации.

В кристаллах

Диффузия атомов по 4-координатной решетке. Обратите внимание, что атомы часто блокируют перемещение друг друга на соседние узлы. Согласно Закон Фика, сеть поток (или движение атомов) всегда в противоположном направлении концентрация градиент.

В твердом кристаллическом состоянии диффузия внутри кристаллической решетки происходит либо за счет межстраничный или механизмов замещения и называется решеточная диффузия.^[1] При межузельной решеточной диффузии диффузант (такой как C в железном сплаве) будет диффундировать между структурой решетки другого кристаллического элемента. При решеточной диффузии замещения (самодиффузия например), атом может двигаться, только заменяя место другим атомом. Решеточная диффузия замещения часто зависит от наличия точечные вакансии по всей кристаллической решетке. Рассеивающиеся частицы перемещаются от точечной вакансии к точечной вакансии быстрыми, по существу случайными скачками (скачок диффузии ).

Поскольку преобладание точечных вакансий увеличивается в соответствии с Уравнение Аррениуса скорость диффузии кристаллов в твердом состоянии увеличивается с ростом температуры.

Для одиночного атома в бездефектном кристалле движение можно описать выражением "случайная прогулка "модель. В трехмерном изображении можно показать, что после ${\displaystyle n}$ прыжки в длину ${\displaystyle \alpha }$ в среднем атом переместится на расстояние:

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

Если частота скачка дается выражением ${\displaystyle T}$ (в скачках в секунду), а время определяется как ${\displaystyle t}$, тогда ${\displaystyle r}$ пропорциональна квадратному корню из ${\displaystyle Tt}$:

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

Распространение в поликристаллический материалы могут включать механизмы диффузии короткого замыкания. 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 эффективный коэффициент диффузии, который представляет собой комбинацию решетки, и коэффициенты зернограничной диффузии. В целом, поверхностная диффузия происходит намного быстрее, чем зернограничная диффузия, и зернограничная диффузия происходит намного быстрее, чем решеточная диффузия.

Смотрите также

• Киркендалл эффект
• Массовая диффузия

Рекомендации

1. Heitjans, P .; Каргер, Дж., Ред. (2005). Диффузия в конденсированных средах: методы, материалы, модели. (2-е изд.). Бирхаузер. ISBN  3-540-20043-6.

внешняя ссылка

• Классическая и наноразмерная диффузия (с фигурами и анимацией)