Dyfuzja własna

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj

Dyfuzja własna (samodyfuzja) – proces polegający na dyfuzji atomów danego pierwiastka w materiale zbudowanym z tego samego pierwiastka. Dyfuzja własna jest podstawowym procesem dyfuzyjnym odbywającym się w ciałach stałych.

Ogólne informacje[edytuj | edytuj kod]

Badanie tego procesu odbywa się poprzez wprowadzenie do przygotowanej próbki pierwiastka A innego izotopu A* (stabilnego lub promieniotwórczego). Atomy A* odgrywają rolę wskaźników dyfuzji. Wskaźnik jest identyczny chemicznie względem atomów pierwiastka A, różni się tylko masą (spowodowane to jest inną liczbą neutronów w izotopie). Entalpia aktywacji ΔH / energia aktywacji Q i współczynnik korelacji bardzo słabo zależą od masy, dlatego na ich podstawie można wnioskować o dominującym mechanizmie dyfuzji w danym ciele. Współczynnik dyfuzji wskaźnika oznacza się jako D* i można zapisać dla niego poniższą relację Arrheniusa:

D^{*} = D_{0} exp(- \frac{\Delta H}{k_{B} T})
lub
D^{*} = D_{0} exp(- \frac{\ Q}{k_{B} T})


gdzie:

D0 - przedeksponencjalny współczynnik dyfuzji [m2/s]
ΔH / Q - entalpia aktywacji / energia aktywacji dyfuzji [J]
kB - stała Boltzmanna [J/K]
T - temperatura bezwzględna [K]

Obecnie uważa się, że dyfuzja własna we wszystkich metalach odbywa się mechanizmem wakancyjnym. To twierdzenie poparte jest licznymi dowodami doświadczalnymi:

  • Efekt Kirkendalla ujawnił, że współczynniki dyfuzji składników substytucyjnego stopu metalicznego są różne w zależności od rozmiaru atomu danego pierwiastka. Jedynie założenie o istnieniu wakancji tłumaczy zarówno dyfuzję własną jak i powyższy efekt.
  • Wakancje są dominującym defektem sieci krystalicznej metalu znajdującego się w równowadze termodynamicznej.
  • Badania przy pomocy izotopów danych pierwiastków oraz pomiar współczynnika korelacji zgadza się z teoretycznymi wyliczeniami i wskazuje na występowanie wakancyjnego mechanizmu dyfuzji[1].

Zależność temperaturowa od współczynnika dyfuzji własnej[edytuj | edytuj kod]

Zależność temperaturowa od współczynnika dyfuzji własnej, matematycznie niczym się nie różni od ogólnej relacji Arrheniusa dla procesów dyfuzyjnych wyznaczonych przez Ficka (1829-1901). Wyraża się ona poniższym wzorem:

D = D_{0} exp(- \frac{\ Q}{k_{B} T})


gdzie:

D0 - przedeksponencjalny współczynnik dyfuzji [m2/s]
Q - energia aktywacji dyfuzji [J]
kB - stała Boltzmanna [J/K]
T - temperatura bezwzględna [K]

W przypadku dyfuzji własnej atomy dyfundujące niczym się nie różnią od atomów sieci krystalicznej rozpuszczalnika. Dlatego rozbudowaną wersję zależności temperaturowej współczynnika dyfuzji własnej można przedstawić jako:

D = f\cdot g \cdot a^{2} \cdot \nu^{0} \cdot exp({S^{M}+S^{F} \over{k_{B}}}) \cdot exp(-{H^{M}+H^{F} \over{k_{B}\cdot T}})

gdzie:

f - współczynnik korelacji
g - czynnik geometryczny (zależy od typu struktury)
a - parametr sieci [m]
ν0 - częstotliwość prób przeskoku atomu (częstotliwość Debye'a) [1/s]
SM - entropia migracji atomów [J/K]
SF - entropia tworzenia się wakancji [J/K]
kB - stała Boltzmanna [J/K]
HM - entalpia migracji atomów [J]
HF - entalpia migracji wakancji [J][1].

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]

Przypisy[edytuj | edytuj kod]

  1. 1,0 1,1 Helmut Mehrer: Diffusion in Solids: Fundamentals, methods, materials, diffusion-controlled processes. Berlin: Springer, 2007. ISBN 978-3-540-71486-6.