Изложите физические основы процесса диффузии

Диффу́зия (лат. diffusio — распространение, растекание, рассеивание, взаимодействие) распространение молекул или атомов одного вещества между молекулами или атомами другого, приводящее к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму. В некоторых ситуациях одно из веществ уже имеет выравненную концентрацию и говорят о диффузии одного вещества в другом. При этом перенос вещества происходит из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией.

Примером диффузии может служить перемешивание газов (например, распространение запахов) или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной). Другой пример связан с твёрдым телом: атомы соприкасающихся металлов перемешиваются на границе соприкосновения.

В идеальных монокристаллах возможны два способа диффузии, не ведущие к нарушению совершенства решетки: непосредственный обмен местами соседних атомов и кольцевой обмен (рис.6).

В случае непосредственного обмена атомы, окружающие обменивающиеся местами соседние атомы, должны раздвинуться, чтобы освободить пространство для обмена. Это требует затрат большой энергии по порядку величины равной энергии связи между атомами. В случае кольцевого обмена энергия, приходящаяся на каждый обменивающийся атом, будет меньше, чем для парного обмена, но остается больше реальных значений.

Рис.6. Способы диффузии в идеальном кристалле:

а – кольцевой обмен атомов местами;

б – непосредственный обмен соседних

атомов местами

Такое различие обусловлено тем, что реальные кристаллы содержат дефекты структуры, облегчающие процесс диффузии.

Отечественным ученым Э.И.Френкелем в 1926 г. была предложена кинетическая теория кристаллов, которая дала возможность объяснить низкую энергию активации диффузии. Атомы, находящиеся в узлах кристаллической решетки, испытывают непрерывные тепловые колебания вокруг центра равновесия. Небольшая часть атомов может обладать энергией, значительно повышающей энергию связи атома с узлом решетки.

Такие атомы "испаряются" из узлов и переходят в междоузельное пространство, образуя пустой узел – вакансию и дислоцированный в междоузлии атом (рис7,а).

Рис.7. Дефекты по Френкелю (а) и Шоттки (б)

Совокупность вакансии и дислоцированного атома называют дефектом по Френкелю. Наряду с этим в кристалле могут образоваться только одни вакансии (рис.9.2,б). Если переход в междоузлие затруднен, то какой-либо поверхностный атом может быть смещен со своего места тепловыми колебаниями, но он сохраняет частичную связь с телом. Образовавшаяся вакансия перемещается внутрь кристалла путем последовательного заполнения ее атомами. Подобные дефекты называют дефектами по Шоттки.

Концентрация дефектов по Френкелю

nф= exp(-∆Eф/2kT) (8.1)

концентрация дефектов по Шоттки

nш=Nexp(-∆Eш/kT) (8.2)

где N – концентрация атомов в узлах; М – концентрация междоузлий; ΔЕ_ф – энергия активизации перехода атома в междоузлие; ΔЕ_ш – энергия активизации образования вакансии.

Значения ΔЕ_ф и ΔЕ _ш с увеличением температуры уменьшаются, что облегчает процесс дефектообразования.

С ростом температуры в кристалле растет количество вакансий. Когда оно достигает величины около одной вакансии на 10⁵ узлов, кристалл плавится. Наличие большой концентрации вакансий объясняет также образование трещин.

Причиной этого может быть как механическое, так и тепловое воздействие. Быстрое охлаждение после нагрева ведет к замораживанию вакансий, так как ушедшие атомы не успевают заполнить пустые узлы.

Поиск по сайту: