Курс общей физики. Механика и молекулярная физика - Ландау Л.Д.
Скачать (прямая ссылка):
диффузия и теплопроводность
[гл. XIV
Другими словами, в стационарном состоянии концентрация легкой компоненты больше в более нагретых местах.
Такое направление изменения состава вообще имеет место в большинстве случаев: более легкий газ обычно скапливается на «горячей» стороне. Это правило, однако, не является общим и масса молекул — не единственный фактор, определяющий направле-.д/.^ ние термодиффузии.
і і ; Явление термодиффузии используется для
і 14 1 разделения газовых смесей, в частности, для раз-I і і J деления изотопов. Принципиальная сторона это-I д ] Ї го метода ясна из следующего устройства Ilij простейшей термодиффузионной «разделительной f ! J і колонки» (рис. 2). Она состоит из длинной і і і І вертикальной стеклянной трубки с натянутой вдоль ее оси проволокой, нагреваемой электрическим током; стенки трубки охлаждаются. Теплая газовая смесь поднимается вдоль оси вверх, холодная опускается вдоль стенок вниз. В то же время в радиальном направлении происходит Рис. 2. термодиффузионный процесс, в результате которого одна из компонент смеси (обычно—с большим молекулярным весом) преимущественно диффундирует к периферии, а другая — к оси. Увлекаемые нисходящим и восходящим потоками, эти компоненты накапливаются соответственно внизу и вверху трубки.
§116. Диффузия в твердых телах
Диффузия может происходить также и в твердых телах, но отличается при этом крайней медленностью. Это явление можно наблюдать, например, наплавив золото на конец свинцового стержня и выдерживая его при высокой температуре, скажем 300° С; уже по прошествии суток золото проникнет в свинец примерно на сантиметр.
Существует, конечно, и самодиффузия в твердых телах — взаимная диффузия изотопов одного и того же вещества. Ее можно наблюдать с помощью радиоактивных изотопов. Например, осадив некоторое количество радиоактивного изотопа меди на конец медного стержня и через некоторое время разрезав стержень на ряд кусков, можно судить о § 116]
диффузия в твердых телах
365
количестве иродиффундировавшего изотопа по радиоактивности этих кусков.
Медленность диффузии в твердых телах вполне естественна и связана с характером теплового движения атомов в них. В газах и даже в жидкостях хаотическое тепловое движение молекул содержит в себе «поступательную составляющую» — молекулы перемещаются по занимаемому телом объему. В твердых же телах атомы почти всегда находятся вблизи определенных положений равновесия (узлов решетки), совершая вокруг них малые колебания; ни к какому общему перемещению атомов в теле, а потому и к диффузии такое движение привести не может. Принять участие в диффузии могут лишь атомы, покидающие свои места в решетке, переходя от одного узла к другому.
Между тем каждый атом в твердом теле окружен потенциальным барьером. Атом может покинуть свое место, лишь преодолев этот барьер, для чего он должен обладать достаточной энергией. С аналогичной ситуацией мы уже встречались при изучении скорости химических реакций (§ 91) и видели, что число молекул, способных вступить в реакцию, пропорционально «активационному множителю» вида
е-Е/НТ_
Множителю такого же вида будет пропорционально и число атомов, могущих принимать участие в диффузии, а потому и коэффициент диффузии. При этом значения энергии активации Е, отнесенные к одному атому (EfNu), обычно составляют от долей до нескольких электрон-вольт. Так, для диффузии углерода в железе E составляет около 100 кдж/моль (т. е. около 1 эв на атом), для самодиффузии меди — около 200 кдж/моль (около 2 эв на атом).
Таким образом, коэффициент диффузии в твердых телах очень быстро возрастает с увеличением температуры. Так, коэффициент диффузии цинка в медь при повышении температуры от комнатной до 300° С возрастает в IO14 раз. Одной из наиболее быстро диффундирующих пар металлов являются упомянутые выше золото и свинец. Коэффициент диффузии золота в свинец при комнатной температуре составляет всего 4 -10"10 см2/сек, а при 300° С уже 1 А(Гг'см2/сек. Эти цифры показывают в то же время, насколько медленно идет процесс диффузии в твердых телах. 366
ДИФФУЗИЯ и ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ [гл. XIV
Ускорение диффузии при повышении температуры лежит в основе метода отжига металлов: для достижения однородности состава сплава его выдерживают длительное время при высокой температуре. Этот же прием применяется и для уничтожения внутренних напряжений в металле.
В твердых растворах типа внедрения атомы растворенного вещества занимают места в «междоузлиях» между атомами, находящимися в узлах основной решетки. Диффузия в таких растворах (например, углерода в железе) происходит просто путем перехода «внедренных» атомов из одного междоузлия в другое.
В растворах же типа замещения в идеальном кристалле все допустимые места заняты; диффузия в таком идеальном кристалле должна была бы происходить путем одновременного обмена местами пары различных атомов. В реальном кристалле, однако, всегда имеются незаполненные места — «вакансии» (об этом уже говорилось в § 105). Эти вакансии играют основную роль в фактическом механизме диффузии; она осуществляется путем «перепрыгивания» на вакантные места атомов из соседних занятых узлов. Глава XIII
