Диффузия: определение и примеры в окружающем мире
О таком понятии, как диффузия, слышали абсолютно все люди. Это было одной из тем на уроках физики в 7 классе. Несмотря на то что это явление окружает нас абсолютно везде, мало кто знает о нём. Что же оно всё-таки означает? В чём заключается его физический смысл, и как можно облегчить жизнь с её помощью? Сегодня мы с вами об этом и поговорим.
Диффузия в физике: определение
Это — процесс проникновения молекул одного вещества между молекулами другого вещества. Говоря простым языком, этот процесс можно назвать смешиванием. Во время этого смешивания происходит взаимное проникновение молекул вещества друг между другом. Например, при приготовлении кофе молекулы растворимого кофе проникают в молекулы воды и наоборот.
Скорость этого физического процесса зависит от следующих факторов:
Это интересно: МПА в атмосферы, как правильно перевести давление?
Чем выше температура вещества, тем быстрее движутся молекулы. Следовательно, процесс смешивания происходит быстрее при высоких температурах.
Агрегатное состояние вещества — важнейший фактор. В каждом агрегатном состоянии молекулы движутся с определённой скоростью.
Диффузия может протекать в следующих агрегатных состояниях:
Скорее всего, у читателя сейчас возникнут следующие вопросы:
Ответы на них можно узнать ниже.
Это интересно: энтропия это что такое, где применяется термин?
Причины возникновения
Абсолютно у всего в этом мире есть своя причина. И диффузия не является исключением. Физики прекрасно понимают причины её возникновения. А как донести их до обычного человека?
Наверняка каждый слышал о том, что молекулы находятся в постоянном движении. Причём это движение является беспорядочным и хаотичным, а его скорость очень большая. Благодаря этому движению и постоянному столкновению молекул происходит их взаимное проникновение.
Есть ли какие-то доказательства этого движения? Конечно! Вспомните, как быстро вы начинали чувствовать запах духов или дезодоранта? А запах еды, которую готовит ваша мама на кухне? Вспомните, как быстро готовится чай или кофе. Всего этого не могло быть, если бы не движение молекул. Делаем вывод — основная причина диффузии заключается в постоянном движении молекул.
Теперь остаётся только один вопрос — чем же обусловлено это движение? Оно обусловлено стремлением к равновесию. То есть, в веществе есть области с высокой и низкой концентрацией этих частиц. И благодаря этому стремлению они постоянно движутся из области с высокой концентрацией в низкоконцентрированную. Они постоянно сталкиваются друг с другом, и происходит взаимное проникновение.
Интересно знать: Система отсчета это что такое, определение и виды.
Диффузия в газах
Процесс смешивания частиц в газах самый быстрый. Он может происходить как между однородными газами, так и между газами с разной концентрацией.
Яркие примеры из жизни:
Как протекает диффузия в жидкостях
Диффузия в жидкостях протекает медленнее. Она может длиться от нескольких минут до нескольких часов.
Самый яркие примеры из жизни:
В этих случаях диффузия протекает очень быстро (до 10 минут). Однако если к процессу будет приложено внешнее воздействие, например, размешивание этих растворов ложкой, то процесс пойдёт гораздо быстрее и займёт не более одной минуты.
Диффузия при смешивании более густых жидкостей будет происходить гораздо дольше. Например, смешивание двух жидких металлов может занимать несколько часов. Конечно, можно сделать это за несколько минут, но в таком случае получится некачественный сплав.
Например, диффузия при смешивании майонеза и сметаны будет протекать очень долго. Однако, если прибегнуть к помощи внешнего воздействия, то этот процесс и минуты не займёт.
Диффузия в твёрдых телах: примеры
В твёрдых телах взаимное проникновение частиц протекает очень медленно. Этот процесс может занять несколько лет. Его длительность зависит от состава вещества и структуры его кристаллической решётки.
Опыты, доказывающие, что диффузия в твёрдых телах существует.
Примеры диффузии в окружающем мире
Как вы уже поняли, чем тверже среда, тем меньше скорость смешивания молекул. Теперь давайте поговорим о том, где в реальной жизни можно получить практическую пользу от этого физического явления.
Процесс диффузии происходит в нашей жизни постоянно. Даже когда мы лежим на кровати, очень тонкий слой нашей кожи остаётся на поверхности простыни. А также в неё впитывается пот. Именно из-за этого постель становится грязной, и её необходимо менять.
Так, проявление этого процесса в быту может быть следующим:
Проявление диффузии в природе:
Проявление этого процесса в промышленности:
Эти процессы происходят в различных областях промышленности:
Как вы поняли, процесс диффузии может оказывать на нашу жизнь как положительный, так и отрицательный эффект. Нужно уметь управлять своей жизнью и максимально использовать пользу от этого физического явления, а также минимизировать вред.
Теперь вы знаете, в чём сущность такого физического явления, как диффузия. Она заключается во взаимном проникновении частиц благодаря их движению. А в жизни движется абсолютно все. Если вы школьник, то после прочтения нашей статьи вы точно получите оценку 5. Успехов вам!
Диффузия: причины, особенности процесса, примеры в природе
Содержание:
Определение
Само слово «диффузия» латинского происхождения – «diffusio» в переводе с латыни означает «распространение, рассеивание». В физике под диффузией подразумевается процесс взаимопроникновения микрочастиц при соприкосновении разных материалов. Академическое определение того, что такое диффузия, звучит следующим образом: «Диффузия – это взаимное проникновение молекул одного вещества в межмолекулярные промежутки другого вещества вследствие их хаотичного движения и столкновения друг с другом». Какие свойства диффузии, причины ее возникновения, как проявляется этот процесс в разных веществах, об этом читайте далее.
Причины
Причиной возникновения диффузии является тепловое движение частиц (атомов, молекул, ионов и т. д.).
Чтобы более детально понять, как работают механизмы диффузии, рассмотрим это явление на конкретном примере. Если взять перманганат калия (в народе более известен как марганцовка) (KMnO4) и растворить в воде (H2O), то марганцовка в результате диссоциации распадется на K+ и MnO4-. Также важно заметить что молекула воды поляризирована и существует в виде сцепленных ионов H+ – OH-.
Из-за растворения марганцовки в воде произойдет хаотическое перемещение ионов обоих веществ, вследствие чего сцепленные ионы воды поменяют свой цвет и освободят место для других, еще не реагировавших ионов. Вода поменяет свой окрас и получит специфические свойства. Между водой и марганцовкой совершится диффузия.
Вот так этот процесс выглядит схематически.
Причем движимые частицы во время диффузии, всегда распространяются равномерно по всему предоставленному объему. Сам процесс диффузии занимает определенное время.
Также важно знать, что явление диффузии происходит далеко не со всеми веществами. Например, если воду перемешать не с марганцовкой, а с маслом, то диффузии между ними не будет, так как молекулы масла электрически нейтральны. Образованию какого-то соединения с молекулами воды помешают сильные связи внутри молекулы масла.
Еще стоит заметить, что скорость диффузии значительно увеличится при увеличении температуры, что вполне логично, ведь с увеличением температуры возрастет скорость движения частиц внутри вещества и как следствие, повышается шанс их проникновения в молекулы другого вещества.
Формула
Процесс диффузии в двухкомпонентной системе записывается при помощи закона Фика, и соответствующего уравнения:
В этом уравнении J – плотность материала, D – коэффициент диффузии, а ac/dx – градиент концентрации двух веществ.
Коэффициентом диффузии называют физическую величину, которая численно равна количеству диффундирующего вещества, которое проникает за единицу времени через единицу поверхности, если разность плотностей на двух поверхностях, находящихся на расстоянии равном единице длины, равна единице. Важно заметить, что коэффициент диффузии зависит от температуры.
В твердых телах
В твердых телах диффузия происходит очень медленно, если вообще происходит. Ведь для твердых тел характерно наличие кристаллической решетки, а все частицы расположены упорядочено.
Примером диффузии твердых тел может быть золото и свинец. Расположенные на расстояние 1 метра друг от друга, при комнатной температуре в 20 С, эти вещества будут понемногу проникать друг в друга, но будет это все идти очень медленно, подобная диффузия станет заметной не ранее чем через 4-5 лет.
В жидкостях
Скорость протекания диффузии в жидкостях в разы выше, нежели в твердых телах. Связи между частицами в жидкости гораздо слабее (обычно их энергии хватает максимум на образование капель), и взаимному проникновению частиц в молекулы двух веществ ничто не мешает.
Правда то, как быстро будет проходить диффузия, зависит от характера и консистенции жидкостей, в более густых растворах она происходит медленнее, ведь чем гуще жидкость, тем более сильные в ней связи между молекулами и тем труднее молекулам и частицам проникать друг в друга. Например, смешивание двух жидких металлов может занять несколько часов, в то время как смешивание воды и марганцовки (из примера выше) осуществляется за минуту.
В газах
В газах диффузия происходит еще быстрее, чем в жидкости, связи между частицами газообразных веществ практически отсутствуют, и никак не сцепленные частицы легко перемешиваются друг с другом, проникая в молекулы других газов. Небольшие коррективы при диффузии газов может вносить разве только гравитация.
Примеры в окружающем мире
Значимый биологический процесс – фотосинтез осуществляется, в том числе и при помощи диффузии: как мы знаем, благодаря энергии солнечного света вода разлагается хлорофиллами на составляющие, кислород, который выделяется при этом, попадает в атмосферу и поглощается всеми живыми организмами. Так вот, и сам процесс поглощения кислорода человеком и животными, и обмен веществ у растений, все это поддерживается диффузией, без которой не могла бы существовать сама Жизнь.
Но это в глобальном плане, в более простых вещах, мы можем наблюдать диффузию:
Таких примером можно приводить еще много.
Видео
И в завершение образовательное видео по теме нашей статьи.
Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка
При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту pavelchaika1983@gmail.com или в Фейсбук, с уважением автор.
Эта статья доступна на английском языке – Diffusion.
Диффузия: определение и примеры в окружающем мире
О таком понятии, как диффузия, слышали абсолютно все люди. Это было одной из тем на уроках физики в 7 классе. Несмотря на то что это явление окружает нас абсолютно везде, мало кто знает о нём. Что же оно всё-таки означает? В чём заключается его физический смысл, и как можно облегчить жизнь с её помощью? Сегодня мы с вами об этом и поговорим.
Диффузия в физике: определение
Это — процесс проникновения молекул одного вещества между молекулами другого вещества. Говоря простым языком, этот процесс можно назвать смешиванием. Во время этого смешивания происходит взаимное проникновение молекул вещества друг между другом. Например, при приготовлении кофе молекулы растворимого кофе проникают в молекулы воды и наоборот.
Скорость этого физического процесса зависит от следующих факторов:
Это интересно: МПА в атмосферы, как правильно перевести давление?
Чем выше температура вещества, тем быстрее движутся молекулы. Следовательно, процесс смешивания происходит быстрее при высоких температурах.
Агрегатное состояние вещества — важнейший фактор. В каждом агрегатном состоянии молекулы движутся с определённой скоростью.
Диффузия может протекать в следующих агрегатных состояниях:
Скорее всего, у читателя сейчас возникнут следующие вопросы:
Ответы на них можно узнать ниже.
Это интересно: энтропия — это что такое, где применяется термин?
Причины возникновения
Абсолютно у всего в этом мире есть своя причина. И диффузия не является исключением. Физики прекрасно понимают причины её возникновения. А как донести их до обычного человека?
Наверняка каждый слышал о том, что молекулы находятся в постоянном движении. Причём это движение является беспорядочным и хаотичным, а его скорость очень большая. Благодаря этому движению и постоянному столкновению молекул происходит их взаимное проникновение.
Есть ли какие-то доказательства этого движения? Конечно! Вспомните, как быстро вы начинали чувствовать запах духов или дезодоранта? А запах еды, которую готовит ваша мама на кухне? Вспомните, как быстро готовится чай или кофе. Всего этого не могло быть, если бы не движение молекул. Делаем вывод — основная причина диффузии заключается в постоянном движении молекул.
Теперь остаётся только один вопрос — чем же обусловлено это движение? Оно обусловлено стремлением к равновесию. То есть, в веществе есть области с высокой и низкой концентрацией этих частиц. И благодаря этому стремлению они постоянно движутся из области с высокой концентрацией в низкоконцентрированную. Они постоянно сталкиваются друг с другом, и происходит взаимное проникновение.
Интересно знать: Система отсчета это что такое, определение и виды.
Диффузия в газах
Процесс смешивания частиц в газах самый быстрый. Он может происходить как между однородными газами, так и между газами с разной концентрацией.
Яркие примеры из жизни:
Как протекает диффузия в жидкостях
Диффузия в жидкостях протекает медленнее. Она может длиться от нескольких минут до нескольких часов.
Самый яркие примеры из жизни:
В этих случаях диффузия протекает очень быстро (до 10 минут). Однако если к процессу будет приложено внешнее воздействие, например, размешивание этих растворов ложкой, то процесс пойдёт гораздо быстрее и займёт не более одной минуты.
Диффузия при смешивании более густых жидкостей будет происходить гораздо дольше. Например, смешивание двух жидких металлов может занимать несколько часов. Конечно, можно сделать это за несколько минут, но в таком случае получится некачественный сплав.
Например, диффузия при смешивании майонеза и сметаны будет протекать очень долго. Однако, если прибегнуть к помощи внешнего воздействия, то этот процесс и минуты не займёт.
Диффузия в твёрдых телах: примеры
В твёрдых телах взаимное проникновение частиц протекает очень медленно. Этот процесс может занять несколько лет. Его длительность зависит от состава вещества и структуры его кристаллической решётки.
Опыты, доказывающие, что диффузия в твёрдых телах существует.
Примеры диффузии в окружающем мире
Как вы уже поняли, чем тверже среда, тем меньше скорость смешивания молекул. Теперь давайте поговорим о том, где в реальной жизни можно получить практическую пользу от этого физического явления.
Процесс диффузии происходит в нашей жизни постоянно. Даже когда мы лежим на кровати, очень тонкий слой нашей кожи остаётся на поверхности простыни. А также в неё впитывается пот. Именно из-за этого постель становится грязной, и её необходимо менять.
Так, проявление этого процесса в быту может быть следующим:
Проявление диффузии в природе:
Проявление этого процесса в промышленности:
Эти процессы происходят в различных областях промышленности:
Как вы поняли, процесс диффузии может оказывать на нашу жизнь как положительный, так и отрицательный эффект. Нужно уметь управлять своей жизнью и максимально использовать пользу от этого физического явления, а также минимизировать вред.
Теперь вы знаете, в чём сущность такого физического явления, как диффузия. Она заключается во взаимном проникновении частиц благодаря их движению. А в жизни движется абсолютно все. Если вы школьник, то после прочтения нашей статьи вы точно получите оценку 5. Успехов вам!
Диффузия вокруг нас: примеры
Узнайте что такое диффузия и как проявляется диффузия вокруг нас: примеры из реальной жизни, к которым мы привыкли, однако не осознавали их природы.
Что такое диффузия?
Определение диффузии – это движение молекул или частиц из зоны более высокой концентрации в область меньшей концентрации, которое продолжается до достижения равновесия.
Определяющим качеством диффузии является то, что она происходит только потому, что диффузное вещество существует в большей концентрации в одном месте и меньшей концентрации в другом. Если вещество движется по другим причинам, таким как давление или сила, это уже не диффузия. Диффузия означает пассивное движение молекул вниз по градиенту концентрации.
А где же эта диффузия вокруг нас? Вот несколько практических примеров распространения диффузии из повседневной жизни.
Диффузия – примеры вокруг нас
Давайте проверим некоторые заметные примеры диффузии, которая случается в нашей повседневной жизни.
1. Парфюмерия/Ароматические палочки
Когда духи (ароматы, ароматические палочки, спреи для комнат, ароматические спреи) распыляются в одной части комнаты, они распространяются по всей комнате благодаря диффузии. Частицы парфюма движутся с зоны, где их большая концентрация, на всю комнату, где концентрация меньше.
2. Гелиевые шары
Гелиевые шары медленно сдуваются и теряют высоту. Это происходит потому, что гелий диффузирует из зоны, богатой гелием (шарик), в зону с низким гелием (внешняя среда).
3. Чайные пакетики
Когда мы кладем пакетик чая в чашку с водой, он автоматически смешивается с целой чашкой чая, и это происходит благодаря диффузии. Содержание чайного пакетика дифузуеться от высшей до низшей концентрации (вода в кружке).
4. Газированные напитки
Через несколько секунд открытия бутылки с газировкой пузырьки газа поднимаются на поверхность. Это объясняется тем, что концентрация СО2 (углекислого газа) в бутылке выше, чем во внешней среде, а следовательно, СО2 диффузирует от своей высокой концентрации к низшей.
5. Дыхание
К примерам диффизии относиться процесс дыхания. Когда мы дышим воздухом, вдох кислорода и выдох углекислого газа возможен только благодаря диффузионному процессу. Поэтому диффузия – жизненно важный процесс в дыхании.
6. Загрязнение воздуха
Диффузия вокруг нас – это не только о позитивных вещах. Кроме того, что диффузия применяется во быту, она также имеет некоторые минусы; загрязнение воздуха является крупнейшим минусом, вызванными диффузией.
Когда вредные газы, пары и токсичные частицы выделяются из различных техногенных источников, включая заводы (например, цементный завод, химические заводы, кирпичные печи и т.д.), транспортные средства и сжигание отходов; затем они загрязняют нормальный воздух процессом диффузии.
7. Транспортировка минералов и биомолекул у растений и животных
Наше выживание сильно зависит от процесса диффузии; поскольку при отсутствии диффузии наше тело не может нормально функционировать; ведь именно диффузия облегчает плавную циркуляцию минералов и биомолекул в нашем организме.
8. Выведение токсинов и прочих отходов из нашего организма
Наш организм постоянно нуждается в выводе токсинов, образующихся в процессе обмена веществ, и важнейшим органом для осуществления этой деятельности являются почки. Однако почки сами по себе не могут выполнить эту задачу, здесь также входит в действие концепция диффузии.
Почки состоят из нефронов, которые являются структурными и функциональными единицами почек. Они представляют собой микроскопические канальцы, которые фильтруют токсичное вещество из крови. Нефрон сначала отделяет отходы химических и токсических веществ из крови, а затем реабсорбирующего воду и питательные вещества в крови с помощью диффузии.
Итак, диффузия играет значительную роль также в фильтрации крови.
9. Пищевые красители
Общеизвестным примером диффузии вокруг нас являются пищевые красители.
Преимущества диффузии широко использоваются пищевой промышленностью, где окраска съедобных продуктов является общепринятой.
10. Теплопроводность
Теплопроводность или передача тепла также происходит с помощью диффузии. Тепло передается от более высокой температуры к низкой.
Диффузия: кого, куда и вообще
В школьном курсе физики обычно упоминаются два примера диффузии — кусок свинца и кусок золота, которые прижали друг к другу, и флакон с духами, который открыли в комнате. Первая ситуация намного сложнее, чем кажется, а во второй ситуации запах распространяется в основном вообще не из-за диффузии. Объединяет же эти две ситуации то, что в обоих случаях происходит распространение одного вещества в другом. Но для того чтобы можно было говорить о диффузии, даже это не обязательно! Потому что есть понятие самодиффузия. С другой стороны, не всякое распространение стоит называть диффузией. Однако, попробуем рассказать об всем по порядку.
Начнем именно с этой самой самодиффузии. Которых есть даже две — объемная и поверхностная. Пусть у нас имеется кусок вещества и пусть все его атомы одинаковы. Эти атомы колеблются вокруг положений равновесия, причем амплитуды колебаний сами могут изменяться. Вот некоторый атом так сильно отклонился от положения равновесия, что вообще не вернулся обратно, а переместился в другое «устойчивое положение» и, естественно, занялся колебаниями вокруг него.
В этом месте критически мыслящий школьник должен задать вопрос: оба процесса зависят от времени, как мы их разделим? Может, атом вообще только и делает, что прыгает? Ответ звучит так: оцените и сравните время колебания атома в решетке и среднее время перескока атома в соседнее положение. Очень грубая приближенная оценка дает для этих времен значения 10 −12 с и 10 −5 с соответственно. Таким образом, атом перемещается в соседнее положение, совершив в среднем десять миллионов колебаний.
Вопрос 1. Как можно оценить эти времена?
Максимальную скорость движения атомов в процессе колебаний можно оценить, приравняв тепловую энергию кинетической. Время, соответственно, будет иметь порядок амплитуды колебаний, деленной на эту скорость. Амплитуда — явно не более десятой доли межатомного расстояния. А среднее время перескока оценим как отношение расстояния диффузии, деленное на время диффузии. Цифры возьмем для школьного примера со свинцом и золотом, например 5 лет и 1 мм, впрочем, различие ответов так велико (7 порядков), что конкретные цифры не столь важны.
Но если атомы одинаковы, то как определить, что они перемещаются? Надо как-то их пометить — так, чтобы это не повлияло на их перемещение, но позволило отличать одни от других. Предположим, нам надо исследовать самодиффузию в каком-то элементе. Возьмем немножко изотопа этого элемента, добавим его в какое-то место образца и посмотрим, как эти редкие атомы расползаются по образцу. Особенно это удобно делать, если добавленный изотоп радиоактивен — тогда мы можем измерять активность разных частей образца. Соответствующий метод называется довольно естественно: «метод меченых атомов». Правда, тут есть одно возражение. Атомы изотопов одного элемента имеют разные массы, а масса влияет на колебания. Поэтому атомы добавленного изотопа могут диффундировать не совсем так, как атомы исходного образца. Обычно этим пренебрегают, но при необходимости данный эффект можно попытаться обнаружить.
Вопрос 2. Подумайте, как.
В качестве «метки» можно использовать разные изотопы с разной массой атомов и посмотреть, одинаковые ли результаты получатся. Разница обнаружится. И это видно из ответа на предыдущий вопрос — как только мы произнесли слово «колебания», вспоминается груз на пружине. Скорость диффузии зависит от массы, но для конца Таблицы Менделеева отношение разности масс изотопов к массе атома невелико. Поэтому, в частности, диффузионное разделение изотопов урана так трудоемко. А вот заменять водород дейтерием явно не стоит.
Самодиффузия важна для нескольких процессов, например для спекания порошков или для медленного изменения размеров образца под нагрузкой (крип, или ползучесть). Процесс спекания порошков очень широко применяется в технике — так, именно спеканием порошков получают многие металлические и большинство керамических изделий. А ползучесть важна, скажем, для лопаток турбин; по понятным причинам у нее даже есть специальное название: «высокотемпературная ползучесть». Для спекания порошков важна не только просто самодиффузия, т.е. перемещение атомов в объеме, но и так называемая поверхностная диффузия или поверхностная миграция, т.е. перемещение атомов по поверхности. Представьте себе контакт между двумя маленькими шариками по еще более маленькому пятнышку. Спекание — это увеличение размеров этого контакта. Чтобы подобраться к нему по объему, атомам приходится протискиваться через область сечением, пропорциональным площади пятнышка, т.е. квадрату диаметра, а чтобы подползти по поверхности, нужно двигаться по дорожке хоть и узкой, но по ширине равной периметру пятнышка, т.е. первой степени диаметра. Иными словами, при уменьшении диаметра путь по объему усложняется быстрее, чем путь по поверхности. Кроме того, атом в объеме связан с большим числом атомов, чем атом на поверхности, и поэтому диффундировать атому труднее, чем мигрировать.
В однородном образце с самодиффузией может быть связано еще несколько процессов. Один из них — перемещение дефектов кристаллической решетки. Если этот дефект представляет собой лишний атом (атом в междоузлии) или отсутствие атома там, где он должен быть (вакансия), то связь перемещения дислокации и перемещения атома очевидна. В первом случае это просто одно и то же, во втором — вакансия «перемещается» строго навстречу перемещению атома. В некоторых случаях связь сложнее, но она все равно есть. Почему же говорят о диффузии вакансий и анализируют поведение вакансий, а не только атомов? Потому же, почему мы говорим «тело летит» или «тело вращается», а не пишем уравнения для движения его молекул. Во-первых, так проще, а во-вторых, во многих случаях нам важно именно движение тела, а не составляющих его молекул.
Вопрос 3. А если каким-то чудом часть молекул тела начнет двигаться иначе, то что произойдет?
Конечно, это шутка — молекулы сами по себе начать двигаться иначе не могут. Но если все же они это сделают, то возможны две ситуации. Если эта часть молекул оторвется и улетит, то мы увидим изменение массы и скорости того, что останется; если это внутренние молекулы, то обнаружим изменение только скорости (при сохранении импульса).
Аналогичная ситуация имеет место в проводимости полупроводников — вспомните понятие «дырка».
На самодиффузию могут влиять внешние факторы — все, что как-то влияет на атомы или, если это ионная решетка, на ионы, т.е. электрические поле и ток. Влияние тока называют электронным ветром, и в металлах он преобладает. Перемещение ионов и вакансий под действием тока существенно в микросхемах. Плотность тока в проводниках микросхем весьма велика (токи-то небольшие, но сечение проводников уж очень мало), электроны движутся по проводнику, увлекают за собой ионы, дислокации-вакансии движутся, стало быть, навстречу, скапливаются на одном из концов проводника, он делается тоньше и в итоге разрывается.
Вопрос 4. Кстати, что еще происходит при этом процессе?
Утоньшение проводника влечет увеличение плотности тока и локальный разогрев, который ускоряет самодиффузию.
Что будет происходить, если вещество состоит не из отдельных атомов или ионов, а из многоатомных молекул — как, например, твердые водород, кислород, азот, галогены? Ничего ужасного, просто диффундировать будут не отдельные атомы, а, естественно, молекулы. А если эти молекулярные кристаллы состоят из молекул, которые сами состоят из разных атомов — например, H2O, CO2, окислы азота, многие органические вещества? Опять же, ничего принципиально нового — хотя мы уже имеем дело с разными атомами, но они составляют молекулы, которые ведут себя, как целое.
Картина существенно меняется, когда вещество состоит из разных атомов, не связанных в молекулы. Тогда каждый атом может диффундировать, причем разные атомы диффундируют по-разному. Но при этом диффузия каждого зависит от диффузии остальных. Рассмотрим часто встречающийся случай, когда у нас имеется матрица и малая примесь. Однако и этот случай не прост, потому что есть несколько путей диффузии. Атом примеси может диффундировать, скажем так, сам по себе, прыгая из одного положения между атомами основного вещества в другое — как диффундировала бы мышь в человеческой толпе. Но он может диффундировать, пользуясь вакансиями, т.е. пустыми местами в решетке. Причем вакансии диффундируют сами по себе, это один из механизмов самодиффузии. Таким образом, диффузия примеси оказывается связана с самодиффузией материала матрицы.
Но этим дело не исчерпывается. На диффузию начинают влиять свойства, которые принято называть химическими. Если одно вещество диффундирует в другое и в какой-то зоне концентрация превосходит предел растворимости, то появляется новая фаза, т.е. образуется соединение. Иногда это отдельные участки, так называемые включения второй фазы, а иногда это сплошные слои. Включения второй фазы существенно изменяют механические свойства вещества, а сплошные слои влияют на дальнейшие процессы диффузии.
Как уже говорилось, в матрице — если только это не идеальный монокристалл, причем при абсолютном нуле — есть дислокации, нарушения. Вакансии — это только один из их типов, но есть и другие, чьи концентрация и подвижность растут с ростом температуры. Дислокации некоторых типов создают возможности для диффузии примесей, причем эти возможности сложным образом зависят от температуры. В поликристаллах ко всей этой картине добавляются границы между кристаллами, так называемые межзеренные границы. И они тоже могут являться путями диффузии примесей.
Границы между кристаллами — это их поверхности. А диффузия по поверхности идет легче, чем по объему, потому что атом на поверхности имеет меньше связей с другими атомами, нежели атом в объеме, и ему легче разорвать часть этих связей, чтобы переместиться в новое положение. Поверхностная диффузия стала важна для техники, когда в 60-е годы прошлого века вошла в моду порошковая металлургия. Важна она и поныне хотя бы потому, что позволяет спеканием порошков (а это поверхностная диффузия) получать материалы, которые невозможно получить другими методами. В ближайшие десятилетия роль поверхностной диффузии и вообще поверхностных эффектов будет только возрастать — чем меньше объект, тем больше отношение поверхности к объему, а значит, тем существеннее роль именно поверхности.
Вопрос 5. Подумайте, почему.
Объем и масса пропорциональны кубу линейных размеров, а поверхность пропорциональна второй степени. Поэтому поверхность фиксированной массы порошка при его измельчении растет обратно пропорционально размеру частиц.
Как делаются элементарные, но дающие правильные ответы расчеты, касающиеся диффузии, а также какие нетривиальные эффекты возникают, когда свинец прижат к золоту и оставлен в покое на какое-то время, вы можете узнать из двух замечательных книжек: Гегузин Я. Е. «Очерки о диффузии в кристаллах» и Бокштейн Б. С. «Атомы блуждают по кристаллу» (Библиотечка «Квант», вып. 28). Насчет именно свинца и золота — шутка. В этих книжках рассказано о многих экспериментах; в интернете они есть на многих сайтах. Диффундируйте и наслаждайтесь.
До сего момента речь шла о диффузии в твердом теле. Диффузия в жидкостях и газах, конечно, возможна, но тут есть свои особенности. Главная — движение потоков, течения в жидкости, сквозняки и ветер в атмосфере. Они тоже переносят вещество, и в обычных условиях гораздо эффективнее, чем диффузия. Поэтому пример «диффузии», который часто приводится в книжках, а именно распространение запаха духов, неверен. Это не диффузия, а ветер.
Вопрос 6. Кстати, от чего еще, кроме диффузии и скорости ветра, зависит распространение запаха?
От чувствительности конкретного носа к конкретному запаху. Поэтому взгляды собак на диффузию могут отличаться от наших.
Когда мы обсуждали диффузию в твердом теле, то разделили диффузию в объеме и по поверхности. Приповерхностный слой может немного отличаться от объема — для жидкостей это указано в школьном учебнике. Для твердых тел такое отличие тоже возможно — по концентрации дислокаций, по электронным свойствам, по составу. Поэтому диффузия в приповерхностной области идет иначе, нежели в объеме. Но поверхностной диффузией или миграцией называют не ее, а именно перемещение по самой поверхности, ползание по ней.
А существует ли поверхностная диффузия в жидкостях и газах? Сама граница жидкости, как явление природы, вполне существует. Границу жидкости с твердым телом и газом мы видим в каждой луже и каждом стакане. Границу газа с твердым телом и жидкостью мы тоже видим постоянно. Границу двух жидкостей вам могли показывать на уроке.
Вопрос 7. А как увидеть границу двух газов?
Для этого один из газов должен быть окрашенным. Знаем ли мы такие газы? Обычно называют бром, хлор, оксид азота IV, озон. Более полный список есть на сайте chemport.ru или спросите Google «интенсивно окрашенные газы».
Границу двух газов можно обнаружить косвенно, и это вам на уроке тоже почти наверняка показывали, но скорее всего — на уроке химии. А раз существуют границы между двумя жидкостями и между двумя газами, а также между жидкостью и газом, то вполне можно спросить: существует ли поверхностная диффузия в этих трех случаях?
Вопрос 8. Почему вода испаряется быстрее, когда над ней дует ветерок? Какой побочный процесс может уменьшать этот эффект?
Испарение воды тормозится медленной диффузией молекул воды в приповерхностном слое воздуха, причем влияние воздуха ослабевает, если дует ветерок — испаренное сдувается, и нет обратного потока. А побочный процесс — это влияние испарения на температуру жидкости (если она не термостатирована).
Диффузией в физике называют распространение не только атомов или молекул, но и элементарных частиц. Скажем, диффузией излучения называют распространение излучения в среде при наличии многократного поглощения и последующего некогерентного испускания фотонов. Заметим, что распространение излучения в лазере, когда имеет место когерентность, так не называют. Пример диффузии излучения — распространение излучения в плотном горячем газе, например в атмосфере Солнца. В действительности аналогия между диффузией атомов и диффузией излучения не точна, потому что после поглощения кванта одной частоты может быть испущен новый квант другой частоты. Например, при тех температурах, которые имеются в центре Солнца, а это 15 миллионов градусов, основная энергия излучения приходится на рентгеновский диапазон. Но из-за многократного поглощения и переизлучения до поверхности излучение доходит за время порядка 1 миллиона лет, при этом его спектр существенно изменяется — длина волны увеличивается в 2500 раз, и мы получаем водимое излучение.
Что касается диффузии других элементарных частиц, то за примером далеко ходить не надо — диффузия водорода в металлах (он неплохо диффундирует в палладии, никеле и некоторых других) происходит в виде ионов водорода. А что это, как не элементарные частицы — протоны? Вот про диффузию в металлах дейтерия и трития этого сказать уже нельзя.
В атомном реакторе диффундируют нейтроны, возникающие при распаде ядер. Быстрые нейтроны при диффузии отдают энергию среде и замедляются. Если поглощение нейтронов мало, то они замедляются до тепловой энергии и продолжают диффундировать в среде, пока не поглотятся одним из ядер (вызвав, возможно, его распад) или не выйдут за границу среды.
В качестве внешних факторов, влияющих на диффузию, выше были названы ток (электронный ветер) и электрическое поле. Причем это поле может быть внешнего происхождения (батарейка и проводочки), а может быть и внутреннего происхождения. Представьте себе частично ионизированную плазму. Электроны существенно легче ионов, они диффундируют быстрее, чем ионы, и если плазма не заполняет какой-то объем полностью и электронам есть куда сбежать, то они отдаляются от ионов. Заряды разделяются, возникает электрическое поле, которое тормозит электроны и пытается ускорить ионы. Но второе у него получается плохо — именно потому, что ионы тяжелее во много раз. Процесс диффузии, при котором электроны в значительной мере привязаны полем к ионам и поэтому в основном сохраняется нейтральность плазмы, имеет свое название — амбиполярная диффузия. Правда, красиво?
Особая ситуация возникает, когда плазма погружена в магнитное поле. Оно ограничивает движение заряженных частиц поперек поля, заставляя их двигаться по винтовым траекториям. В этом случае наличие столкновений — это единственная возможность для частиц скачком изменить направление вектора скорости и сместиться поперек магнитного поля.
Слово «диффузия» вообще-то латинское и означает просто ‘распространение’. Поэтому в быту называют диффузией все, что хоть в каком-то смысле распространяется. Да и в физике это слово применяется шире, чем рассказано выше. Например, иногда говорят «распространение тепла», а иногда — «диффузия тепла». Впрочем, второе выражение применяется на порядок реже. Всякое ли распространение можно назвать диффузией? Для физики естественно деление каких-то процессов (например, процессов распространения) на группы (например, диффузии и не диффузии) по закономерностям, которым они подчиняются. Если распространяется вещество, то его можно характеризовать распределением в пространстве (на дне стакана с чаем сахар есть, а выше — нет), если тепло — распределением температуры (за окном холодно). Распространение характеризуется изменением концентрации в данном месте — сейчас вещества здесь нет, а вот через минуту оно появилось. Связь этих двух характеристик — распределения в пространстве и скорости изменения в данной точке — и будет основной характеристикой диффузии.
При любом ли распространении эта связь одинакова? Нет. Представьте себе, например, как капиллярными силами втягивается вода в губку. В каждой точке концентрация сначала ноль (вода еще не поднялась до этого уровня), потом концентрация скачком возрастает и перестает изменяться. Правда же, сахар в стакане и тепло в ручке сковороды (осторожно!) распространяется не так? Тем не менее, говорят и про диффузию в пористых средах. Название — не самое главное в жизни, важнее правильно писать уравнения и решать задачи.
Если вы когда-то займетесь физикой диффузии, там вас ожидают многие и разные неожиданности. Вас ждет диффузия в новейших сплавах и в недрах Земли, диффузия в глубинах звезд и в межзвездном пространстве. Причем неожиданности будут встречаться на каждом шагу, как это обычно и бывает в физике. Например, вы обнаружите, что, согласно классическому уравнению теплопередачи и уравнению диффузии, скорость распространения получается. бесконечной. Физика, конечно, с этим как-то справляется, но как? Почему на это не часто обращают внимание? Почему это не мешает решать практические задачи, но почему об этом надо знать и помнить?
А потому, что сфера применения физики расширяется и в новой задаче может оказаться важным то, чем привыкли пренебрегать.
