Диффу́зия (от лат. diffusio – растекание, распространение, рассеивание), процесс установления наиболее вероятного пространственного распределения частиц при их хаотическом движении в газах, жидкостях и твёрдых телах. Диффузия – частный случай явлений переноса.

В термодинамически равновесной среде, состоящей из двух и более компонент, при отсутствии внешних воздействий диффузия приводит к выравниванию концентрацией частиц каждой компоненты во всём объёме среды. В бинарной смеси при малой концентрации диффундирующего вещества плотность диффузионного потока ${J}$ частиц связана с градиентом их концентрации ${∇n}$ соотношением: ${J=–D∇n}$ (1-й закон Фика, см. в статье Законы Фика), где ${D}$ – коэффициент диффузии. При этом изменение концентрации ${n}$ во времени ${t}$ и пространстве посредством диффузии с независимым от координат значением ${D}$ описывается уравнением диффузии:

${∂n/∂t=D△n} \quad (1)$(2-й закон Фика). Если диффундирующие частицы могут рождаться или гибнуть, то в правую часть уравнения (1) добавляются соответствующие источники или стоки, например скорость изменения концентрации в химических реакциях ${(∂n/∂t)}_{хим}$.

Сочетанием диффузии с химическими реакциями характеризуются многие процессы горения и распространения фронта пламени. Диффузия нейтронов, наряду с их рождением и поглощением, – один из основных процессов, протекающих в активной зоне ядерного реактора и в окружающей радиационной защите.

Микроскопической основой диффузии является диффузионное движение (случайное блуждание) каждой отдельной частицы. Такое движение не прекращается и при ${J=0}$ Любое начальное движение частицы в равновесной среде превращается со временем в тепловое движение. Диффундирующая частица, двигаясь и многократно меняя направление движения в результате столкновений (рассеяния на молекулах среды), уходит за время ${t}$ от своего начального положения на расстояние, средний квадрат которого по большому числу траекторий равен ${6Dt}$. При этом в любом заданном направлении, например по оси ${x}$, средний квадрат пройденного расстояния равен ${2Dt}$. В газе ${D≈lv/3}$, где ${l}$ – длина свободного пробега частицы, ${v}$ – её средняя тепловая скорость. Коэффициент ${D}$, как и длина свободного пробега ${l}$, обратно пропорционален плотности газа. В газе нормальной плотности ${l}$ порядка 10^–4–10^–5 см. Тепловые скорости атомов и молекул (кроме водорода и гелия) составляют в нормальных условиях (при температуре около 0° С) десятые доли км/с. Соответственно, для таких газов в нормальных условиях ${D}$ порядка 0,1–1 см²/с. В жидкости диффузионное движение частицы слагается из эпизодических перемещений на расстояния порядка размера молекулы и малых колебаний около временных положений равновесия. Вследствие затраты времени на такие колебания коэффициенты диффузии в жидкости много меньше, чем в газе.

В твёрдом теле диффузия дополнительно затруднена фиксированным положением атомов среды, образующих кристаллическую решётку. Механизмами диффузии в твёрдом теле могут быть: обмен местами между частицей примеси и оказавшейся рядом вакансией (дыркой) или соседним атомом среды, движение частицы по междоузлиям и более сложные, коллективные перемещения. Такие процессы связаны с преодолением значительных потенциальных барьеров. Поэтому коэффициент диффузии в твёрдом теле сильно (экспоненциально) зависит от температуры. Эта закономерность, выраженная количественно слабее, характерна и для жидкостей. Пример медленной диффузии в твёрдом теле: в металлических баллонах даже при высоком давлении газы хранятся годами без существенной утечки. При низких температурах в конденсированных средах определяющим механизмом диффузии может быть квантовая диффузия (туннелирование) атомов.

Характерным свойством диффузии является отсутствие резкой границы (фронта), разделяющей диффузионное облако от среды, в которой оно распространяется. Граница, заданная искусственно в начальный момент времени, например при мгновенном удалении оболочки с капли красителя, помещённой в воду, быстро размывается. Квадрат радиуса сферы, в которой находится основная масса красителя, увеличивается пропорционально времени. Соответственно, скорость роста радиуса убывает как ${t –1/2}$. Подобная закономерность свойственна и процессу теплопередачи.

Диффузия частицы в «собственной» среде, например молекулы воды в воде или атома алюминия в металлическом алюминии, называют самодиффузией. Коэффициент самодиффузии измеряют методом изотопных индикаторов, вводя локально радиоактивный изотоп атома (молекулы) исследуемой среды и наблюдая за его перераспределением во времени. Причиной диффузионного потока могут быть градиент температуры (термодиффузия), электрическое поле (электродиффузия), градиент давления в микропористой перегородке или гравитационное поле (бародиффузия). В этих случаях концентрационное равновесие (отсутствие диффузионного потока) достигается при ${∇n≠0}$, т. е. при пространственно-неоднородном распределении концентраций. В плазме диффузия заряженных частиц на расстояния, больше дебаевского радиуса экранирования, происходит без нарушения квазинейтральности плазмы (амбиполярная диффузия).

Кроме диффузии частиц в пространстве, в обобщённом смысле рассматривается диффузия квазичастиц, энергии, импульса и т. п. в фазовом пространстве.

Диффузия играет важную (часто определяющую) роль во многих естественных явлениях и в технологических процессах.