Диффузия в твердых телах

В силу особенностей механизма протекания диффузия в твердых телах – процесс маловероятный. Не несмотря на люди научились использовать его в промышленности.

Механизм

Под диффузией в твердых телах понимают процесс взаимопроникновения молекул и атомов между разными веществами. Несмотря на то, что общее описание сходно с тем, какое дают диффузии в газах, ее механизмы существенно отличаются.

Кристаллическая решетка

Рис. 1. Кристаллическая решетка.

Причина тому одна: в твердых телах атомы связаны в жесткую структуру, называемую кристаллической решеткой. Поэтому движение атомов носит характер малых колебаний вокруг узлов – точек, где их потенциальная энергия минимальна. При наличии дополнительной энергии они могут покидать узлы. Вероятность этого определяется уравнением Больцмана:

$n = n_0 \cdot e^{- \frac {E}{kT}}$, где n_0 – начальная концентрация атомов, E – энергия скачка, k – постоянная Больцмана, а T – температура.

Энергию атом может получить извне или в результате флуктуаций, так как в твердых телах, равно как и в газах, некоторые атомы могут колебаться быстрее и сильнее, чем остальные. Дальше возможны два механизма:

  • Атом занимает свободный узел (вакансию, отсюда и название – вакансионный механизм) в решетке другого тела,
  • Атом мигрирует в пространстве между узлами, пока не займет вакансию.

Механизмы диффузии в твердых телах

Рис. 2. Механизмы диффузии в твердых телах.

Существует также третья возможность, когда близко расположенные атомы меняются местами, но роль этого механизма незначительна. Из всех трех наибольший интерес представляет вакансионный, хотя на практике в диффузии участвуют все три механизма сразу. Для его описания применяют понятие градиента плотности вакансий аналогично градиенту концентрации газа. Закон Фика для диффузии в твердых телах:

$ \vec j = – D \cdot gradn_0$, где j – поток диффундирующего вещества, D – коэффициент диффузии, а n – начальная плотность вакансий.

В отличие от газов, в твердых телах диффузия маловероятна, а скорость ее низка (в обычных условиях это может длиться годами), поскольку для ее осуществления необходимо, чтобы рядом с атомом, обладающим высокой энергией, оказался свободный узел. Ключ к ее преодолению в уравнении Больцмана. Из него следует, что вероятность диффузии растет по экспоненте при повышении температуры тела.

Другой особенностью твердых тел в сравнении с газами является возможность самодиффузии. Коэффициент ее для вакансионного механизма определяется выражением: $D = \frac {1}{6} \cdot \frac {a^2}{t}$, где a – параметр решетки (размер элементарной ячейки), t – среднее время нахождения атома в узле.

Доказательства

Для того, чтобы убедиться в существовании диффузии в твердых телах, используют явление радиоактивности. Атомы одного вещества как бы помечают радиоактивным элементом и по излучению последнего отслеживают процесс диффузии. При комнатных температурах это занимает длительное время.

Например, если под прессом зажать пластины разных металлов, между ними начнется диффузия, и через несколько лет образуется слой смешанного вещества толщиной около миллиметра. Процесс существенно убыстряется при помещении пластин в печи. Для этого проще взять металлы разного цвета, например, свинец и медь (золото, серебро). Разрезав две пластины перпендикулярно поверхности соприкосновения, можно увидеть, что граница между ними неровная, что металлы проникают друг в друга.

Примеры диффузии твердых тел

Рис. 3. Примеры диффузии твердых тел.

Диффузия в твердых телах применяется для легирования полупроводников, для устранения неоднородностей в сплавах (при отжиге), насыщения деталей газами, спекании порошков и в других методах работы с металлами.

Что мы узнали?

В ходе урока рассмотрели примеры диффузии в твердых телах, разобрались с тремя механизмами ее возникновения и с их особенностями, привели некоторые зависимости и уравнения, описывающие этот сложный процесс.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.1. Всего получено оценок: 63.

Предметы