ДИФФУ́ЗИЯ
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
ДИФФУ́ЗИЯ (от лат. diffusio – растекание, распространение, рассеивание), процесс установления наиболее вероятного пространственного распределения частиц при их хаотич. движении в газах, жидкостях и твёрдых телах. Д. – частный случай переноса явлений.
В термодинамически равновесной среде, состоящей из двух и более компонент, при отсутствии внешних воздействий Д. приводит к выравниванию концентраций частиц каждой компоненты во всём объёме среды. В бинарной смеси при малой концентрации диффундирующего вещества плотность диффузионного потока $\boldsymbol J$ частиц связана с градиентом их концентрации $∇n$ соотношением: $\boldsymbol J=–D∇n$ (1-й закон Фика, см. Фика законы), где $D$ – коэффициент Д. При этом изменение концентрации $n$ во времени $t$ и пространстве посредством Д. с независимым от координат значением $D$ описывается уравнением Д.: $$𝜕n/𝜕t=D△n,(1)$$(2-й закон Фика). Если диффундирующие частицы могут рождаться или гибнуть, то в правую часть уравнения (1) добавляются соответствующие источники или стоки, напр. скорость изменения концентрации в химич. реакциях $(𝜕n/𝜕t)_{хим}.$ Сочетанием Д. с химич. реакциями характеризуются мн. процессы горения и распространения фронта пламени. Диффузия нейтронов наряду с их рождением и поглощением – один из осн. процессов, протекающих в активной зоне ядерного реактора и в окружающей радиац. защите.
Микроскопич. основой Д. является диффузионное движение (случайное блуждание) каждой отд. 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, ср. квадрат которого по большому числу траекторий равен $6Dt$. При этом в любом заданном направлении, напр. по оси $x$, ср. квадрат пройденного расстояния равен $2Dt$. В газе $D≈lv/3$, где $l$ – длина свободного пробега частицы, $v$ – её ср. тепловая скорость. Коэф. $D$, 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 темп-ре ок. 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 эпизодич. перемещений на расстояния порядка размера молекулы и малых колебаний около временных положений равновесия. Вследствие затраты времени на такие колебания коэффициенты Д. в жидкости много меньше, чем в газе.
В твёрдом теле Д. дополнительно затруднена фиксированным положением атомов среды, образующих кристаллическую решётку. Механизмами Д. в твёрдом теле могут быть: обмен местами между частицей примеси и оказавшейся рядом вакансией (дыркой) или с соседним атомом среды, движение частицы по междоузлиям и более сложные коллективные перемещения. Такие процессы связаны с преодолением значительных потенциальных барьеров. Поэтому коэф. Д. в твёрдом теле сильно (экспоненциально) зависит от темп-ры. (Эта закономерность, выраженная количественно слабее, характерна и для жидкостей.) Пример медленной Д. в твёрдом теле: в металлических баллонах даже при высоком давлении газы хранятся годами без существенной утечки. При низких темп-рах в конденсированных средах определяющим механизмом Д. может быть квантовая диффузия (туннелирование) атомов.
Характерным свойством Д. является отсутствие резкой границы (фронта), разделяющей диффузионное облако от среды, в которой оно распространяется. Граница, заданная искусственно в начальный момент времени, напр. при мгновенном удалении оболочки с капли красителя, помещённой в воду, быстро размывается. Квадрат радиуса сферы, в которой находится осн. масса красителя, увеличивается пропорционально времени. Соответственно скорость роста радиуса убывает как t –1/2 . Подобная закономерность свойственна и процессу теплопередачи.
Д. частицы в «собственной» среде, напр. молекулы воды в воде или атома алюминия в металлич. алюминии, называют самодиффузией. Коэф. 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 темп-ры (термодиффузия), электрич. 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 Д. заряженных частиц на расстояния, больше дебаевского радиуса экранирования, происходит без нарушения квазинейтральности плазмы (амбиполярная диффузия).
Кроме Д. частиц в пространстве, в обобщённом смысле рассматривается Д. квазичастиц, энергии, импульса и т. п. в фазовом пространстве.
Д. играет важную (часто определяющую) роль во многих естеств. явлениях и в технологич. процессах.