Дифузія

Визначення і загальна характеристика

ДИФУ́ЗІЯ (від лат. diffusio — роз­по­всюдже­н­ня, пошире­н­ня, роз­тіка­н­ня) — взаємне проникне­н­ня одна в одну дотичних речовин внаслідок руху їхніх частинок (атомів, молекул, іонів, електронів, а також квазічастинок — у конденсованому середовищі). Д. від­бувається в напрямі зменше­н­ня концентрації частинок у речовині й призводить до їхнього рівномір. роз­поділу в за­йманому обʼємі (до вирівнюва­н­ня хім. потенціалу). Можлива у газах, рідинах і твердих тілах, причому дифундують частинки як різних (гетеродифузія), так і однакових (самодифузія) елементів. Різницю між кількістю частинок, що пере­тинають певну площу в обох напрямах, прийнято називати дифузій. потоком. З місць із високою концентрацією рухається більше частинок, чим з низькою. В основі явищ Д. лежить єдиний механізм атомар. (молекулярного) пере­носу маси. Якщо в системі під­тримується нерівномір. роз­поділ температури або на неї діють накладе­н­ня тиску, пере­пади т-р, електр. струм чи неоднорідне електр. поле, то від­повід­но від­бувається бародифузія, термодифузія, електродифузія (електроперенесе­н­ня), у результаті яких установлюється нерівномір. роз­поділ концентрації. Для одномір. Д. в ідеал. роз­чинах за від­сутності зовн. сил, від­повід­но до 1-го закону Фіка (від­критий 1855 нім. вченим А. Фіком), вектор щільності потоку частинок пропорційний і протилежний за напрямом градієнта їхньої концентрації. Коефіцієнт Д. (пропорційності) за Між­нар. системою одиниць — м²/сек.

За рівноваж. умов, тобто при по­стій. т-рі та ін. не­змін. параметрах, найшвидше Д. від­бувається в газах, найповільніше — у твердих тілах. Траєкторією руху кожної частинки у газах є ламана лінія, оскільки при зі­ткне­н­нях вони змінюють напрям. Від­повід­но швидкість дифузій. проникне­н­ня менша від швидкості самих молекул. Кількість зі­ткнень збільшується пропорційно часу та з під­вище­н­ням температури, зменшується зі зниже­н­ням тиску й молекуляр. маси. Д. великих частинок (напр., диму або суспензії) здійснюється завдяки броунів. руху. В рідинах Д. від­бувається пере­скакува­н­ням молекул з одного стійкого положе­н­ня в інший. Під час кожного стрибка молекула отримує енергію, яка до­статня для роз­риву її звʼязків із сусід. молекулами й пере­ходу в оточе­н­ня ін. молекул у нове енергетично вигідне положе­н­ня. Пере­міще­н­ня при такому стрибку не пере­вищує між­молекуляр. від­стані. У твердому тілі можуть діяти кілька механізмів Д.: обмін місцями атомів з вакансіями (незайнятими вузлами кри­сталіч. решітки), пере­міще­н­ня атомів між­вузлям, одночасне циклічне пере­міще­н­ня декількох атомів за краудіон. механізмом, міграція атомів дефектами кри­сталіч. решітки та ін. Збільше­н­ня кількості дефектів, що виникають при на­гріван­ні, гартуван­ні, статич. та імпульс. деформаціях, бомбардуван­ні іонами та електронами й ін. впливах на метал, полегшує пере­міще­н­ня атомів у твердому тілі, під­вищує швидкість Д. Дифузій. рух призводить до вирівнюва­н­ня концентрації речовин у неоднорід. середовищі. Під час простої Д. молекули з малими роз­мірами (вода, метиловий спирт) й іони вільно пере­міщуються в напрямі градієнта їхнього хім. або електрохім. потенціалу. При обмеженій Д., коли мем­брана клітини заряджена, спо­стерігається слабке проникне­н­ня в неї навіть заряджених частинок (напр., аніонів). Полегшена Д. молекул та іонів (напр., цукру й амінокислот) від­бувається за допомогою ін. молекул — «пере­носників». Для орган. речовин також є сут­тєвою роль молекуляр. Д., зокрема для процесу полімеризації.

Д. має велике практичне значе­н­ня. Нею в значній мірі ви­значають швидкість низки фіз.-хім. (адсорбції, десорбції, роз­чине­н­ня, кри­сталізації тощо) та вироб. (дубле­н­ня шкір, фарбува­н­ня тканин тощо) процесів. За допомогою Д. здійснюють дифузійне зварюва­н­ня, спіка­н­ня порошків, хіміко-термічне обробле­н­ня металів (цементація, азотува­н­ня, чорні­н­ня), нанесе­н­ня покрит­тів зі спец. властивостями та з високою адгезією, металізацію поверх­ні (алітува­н­ня, хромува­н­ня, нікелюва­н­ня) та ін. технології, при­значені для поліпше­н­ня якості й створе­н­ня спец. матеріалів. Дифузійні процеси лежать в основі пере­ходу кисню з легенів у кров, а із крові в тканини; виведе­н­ня продуктів травле­н­ня з кишечника; по­глина­н­ня мінерал. елементів корі­н­ням рослин; генерува­н­ня біо­електр. імпульсів нервовими й мʼязовими клітинами. Найбільшу роль Д. ві­ді­грає в ядер. енергетиці. Пошире­н­ня нейтронів у речовині подібне Д. у газах. Вони від­дають власну енергію, яка набагато більша від енергії теплового руху частинок, середовищу й уповільнюються. При створен­ні ядер. реакторів теоретично й екс­периментально ви­вчено Д. нейтронів у різні середовища, зокрема ви­значено коефіцієнти Д. у воду, важку воду, берилій, графіт. Для спо­стереже­н­ня видимих слідів іонізов. частинок за­стосовують дифузійну камеру.

Д. досліджують та використовують, здебільшого в побут. технологіях, з давніх часів. У період класич. фізики від­крито закони й описано низку явищ Д. Зокрема, 1748 франц. фізик Ж.-А. Нолле вперше спо­стерігав процес Д. роз­чин­ника з менш концентрованого роз­чину в більше концентрований (осмос); 1829 шотланд. хімік Т. Ґрегем довів, що швидкості Д. різних газів неоднакові; 1853–54 англ. фізики Дж.-П. Джоуль та В. Томсон (Кельвін) незалежно один від одного від­крили явище охолодже­н­ня газу при його адіабатич. протікан­ні через пористу пере­городку; 1856 нім. фізіолог К.-Ф.-В. Людвіґ спо­стерігав термодифузію. Системат. ви­вче­н­ня дифузій. процесів почалося в 2-й пол. 19 ст. 1859 англ. фізик Дж.-К. Максвелл заклав основи статистич. механіки, що за­стосовують для опису явищ Д., 1866 роз­винув теорію пере­носу в заг. ви­гляді й за­стосував її до процесів Д., тепло­провід­ності й внутр. тертя, увів поня­т­тя «час релаксації»; 1860 нім. фізико-хімік Г.-Ґ. Маґнус зробив висновок про тепло­провід­ність газів; 1872 швейцар. фізик Л. Дюфур від­крив зміну температури при Д. газів через пористі пере­городки, англ. фізик Л. Больцман вивів рівня­н­ня для ідеал. газу малої щільності; 1896 англ. фахівець у галузі металургії В. Робертс-Остин на парі золото–свинець екс­периментально довів існува­н­ня Д. у твердому стані. На новому рівні Д. ви­вчають у період квантової механіки. 1922 нідерланд. фізик Г. Камерлінґ-Оннес виявив особливий механізм пере­носу в рідкому гелії; 1924 нім. фізик В. Шот­тки досліджував амбіполярну Д. слабоіонізов. плазми; 1925 угор. хімік і радіобіо­лог Д. Гевеши за­стосував мічені атоми в біо­логії, від­кривши новий метод ви­вче­н­ня Д.

Знач. внесок у дослідж. Д. зробили й укр. вчені, зокрема й заснованого 1928 Укр. фіз.-тех. ін­ституту (нині ННЦ «Харків. фіз.-тех. ін­ститут»). 1935 В. Горський виявив ефект ви­схід. Д.; 1963–70 І. Ліфшиць, А. Косевич та В. Сльозов створили теорії дифузійно-дис­локацій. стіка­н­ня кри­сталів і дис­локацій. механізму росту та заліковува­н­ня пор і тріщин під навантаже­н­ням. У Харків. фіз.-тех. ін­ституті також роз­роблено метод дис­персій. зміцне­н­ня, який за­стосовують для під­вище­н­ня міцності матеріалів реакторобудува­н­ня; на урані та його сплавах ви­вчено температурну залежність механізмів гальмува­н­ня дис­локацій і досліджено взаємодію дис­локацій з домішковими центрами закріпле­н­ня; роз­роблено методи й умови термомех. обробле­н­ня й легува­н­ня урану, які дають можливість у широких межах керувати структурою металу, зокрема й здатністю до формо­зміни при радіац. та ін. видах впливу. 1960 вчені Ін­ституту фізики НАНУ В. Єременко та В. Медведєв виконали порівня­н­ня спектрів збудже­н­ня фото­провід­ності та люмінесценції зі спектром по­глина­н­ня антрацену, що дало можливість встановити роль екситонів, ви­значити довжину дифузій. зміще­н­ня екситонів і носіїв заряду, що дифундують до освітленої поверх­ні. 1946 у від­ділі фізики напів­провід­ників (після при­єд­на­н­ня 1960 від­ділу теор. фізики — Ін­ститут фізики напів­провід­ників НАНУ) під керівництвом В. Лашкарьова вперше виявлено біполярну Д., 1948 висунуто заг. теорію фото­електрорушій. сил і біполяр. Д. в напів­провід­никах. У 1950-х рр. в Ін­ституті металофізики НАНУ А. Смирнов зі своїми спів­робітниками роз­винув теорії електронів провід­ності в упорядкованих сплавах, утворе­н­ня канал. й тіньового ефектів, вакансій і Д. атомів у сплавах, С. Герцрікен з очолюваним ним від­ділом Д. дослідив Д. у метал. системах, механізм пере­носу речовини, звʼязок дифузій. процесів з виникне­н­ням та рухливістю дефектів кри­сталіч. структури металів і сплавів. Тут 1965–73 Л. Лариков і В. Фальченко ви­вчили вплив ступеня упорядкованості метал. систем на дифузійну рухливість атомів компонентів; 1965 Є. Нестеренко встановив, що формува­н­ня упорядкованої структури може здійснюватися у декілька етапів. 1974 вчені Ін­ституту металофізики В. Мазанко, Л. Лариков і В. Фальченко спільно з вченими Ін­ституту електрозварюва­н­ня НАНУ С. Гуревичем, Г. Харченком та А. Ігнатенком дослідили механізм і кінетику дифузій. процесів у твердій фазі під час зварюва­н­ня та від­крили явище аномал. масоперенесе­н­ня при імпульс. навантажен­ні (міграція атомів у твердій фазі зі швидкістю, що пере­вищує у 10⁹–10¹⁵ разів дифузійну рухливість атомів у ізотерміч. умовах, і у 10³ разів — дифузійну рухливість у рідкому металі). У подальшому виявлено, що ініціювати над­звичайно при­скорену Д. можуть різноманітні імпульсні впливи, зокрема вибух. навантаже­н­ня, лазерне опромінюва­н­ня, прокатува­н­ня, деформува­н­ня в імпульс. електромагніт. полях, ультра­звук. ударне обробле­н­ня, газові роз­ряди, що дають можливість створювати нові технології зварюва­н­ня, обробле­н­ня та вина­йде­н­ня нових матеріалів.

Літ.: Дубинин Г. Н. Диф­фузион­ное хромирование сплавов. Москва, 1947, 1964; Франк-Каменецкий Д. А. Диф­фузия и теплопередача в химической кинетике. Москва, 1947, 1967, 1987; Кривоглазов М. О., Смирнов А. А. Теорія упорядкованих сплавів. К., 1958; Герцрикен С. Д., Дехтяр И. Я. Диф­фузия в метал­лах и сплавах в твердой фазе. Москва, 1960; Шьюмон П. Диф­фузия в твердых телах / Пер. с англ. Москва, 1966; Бекурц К., Виртц К. Нейтрон­ная физика / Пер. с англ. Москва, 1968; Болтакс Б. И. Диф­фузия и точечные дефекты в полу­проводниках. Ленин­град, 1972; Герцрикен Д. С., Мазанко В. Ф., Фальченко Ф. М. Импульсная обработка и мас­соперенос в метал­лах при низких температурах. К., 1991; Мазанко В. Ф. и др. Диф­фузион­ные процес­сы в метал­лах под действием магнитных полей и импульсных деформаций. Москва, 2006. Т. 1–2; Герцрикен Д. С., Тышкевич В. М. Тлеющий разряд и инертные газы в метал­лах. К., 2006.

Д. С. Герцрікен, О. М. Корнієнко

Завантажити статтю