В химической физике атомная диффузия — это процесс диффузии , при котором случайное, термически активированное движение атомов в твердом теле приводит к чистому переносу атомов. Например, атомы гелия внутри воздушного шара могут диффундировать через стенку воздушного шара и выходить, в результате чего воздушный шар медленно сдувается. Другие молекулы воздуха (например, кислород , азот ) имеют более низкую подвижность и, таким образом, диффундируют через стенку воздушного шара медленнее. В стенке воздушного шара существует градиент концентрации , поскольку воздушный шар изначально был заполнен гелием, и, таким образом, внутри много гелия, но снаружи его относительно мало (гелий не является основным компонентом воздуха ). Скорость переноса регулируется диффузией и градиентом концентрации.
В кристаллическом твердом состоянии диффузия внутри кристаллической решетки происходит либо по механизму внедрения , либо по механизму замещения и называется решеточной диффузией . [1] При решеточной диффузии внедрения диффузант (такой как C в сплаве железа) будет диффундировать между решеточной структурой другого кристаллического элемента. При решеточной диффузии замещения ( например, самодиффузии ) атом может перемещаться только путем замещения места другим атомом. Решеточная диффузия замещения часто зависит от наличия точечных вакансий по всей кристаллической решетке. Диффундирующие частицы мигрируют из одной точечной вакансии в другую путем быстрых, по сути случайных прыжков ( прыжковая диффузия ).
Поскольку распространенность точечных вакансий увеличивается в соответствии с уравнением Аррениуса , скорость диффузии кристаллов в твердом состоянии увеличивается с температурой.
Для одного атома в кристалле без дефектов движение можно описать моделью « случайного блуждания ». В трехмерном пространстве можно показать, что после скачков длины атом в среднем переместится на расстояние:
Если частота скачков задана как (в скачках в секунду), а время задано как , то пропорционально квадратному корню из :
Диффузия в поликристаллических материалах может включать механизмы диффузии короткого замыкания. Например, вдоль границ зерен и определенных кристаллических дефектов, таких как дислокации, имеется больше открытого пространства, что позволяет снизить энергию активации для диффузии. Поэтому атомная диффузия в поликристаллических материалах часто моделируется с использованием эффективного коэффициента диффузии , который представляет собой комбинацию коэффициентов диффузии в решетке и на границе зерен . В общем, поверхностная диффузия происходит намного быстрее, чем диффузия на границе зерен , а диффузия на границе зерен происходит намного быстрее, чем диффузия в решетке .
