Что такое диффузия в технике
Диффузия
Примером диффузии может служить перемешивание газов (например, распространение запахов) или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной). Другой пример связан с твёрдым телом: атомы соприкасающихся металлов перемешиваются на границе соприкосновения. Важную роль диффузия частиц играет в физике плазмы.
Обычно под диффузией понимают процессы, сопровождающиеся переносом материи, однако иногда диффузионными называют также другие процессы переноса: теплопроводность, вязкое трение и т. п.
Скорость протекания диффузии зависит от многих факторов. Так, в случае металлического стержня тепловая диффузия проходит очень быстро. Если же стержень изготовлен из синтетического материала, тепловая диффузия протекает медленно. Диффузия молекул в общем случае протекает ещё медленнее. Например, если кусочек сахара опустить на дно стакана с водой и воду не перемешивать, то пройдёт несколько недель, прежде чем раствор станет однородным. Ещё медленнее происходит диффузия одного твёрдого вещества в другое. Например, если медь покрыть золотом, то будет происходить диффузия золота в медь, но при нормальных условиях (комнатная температура и атмосферное давление) золотосодержащий слой достигнет толщины в несколько микронов только через несколько тысяч лет.
Количественно описание процессов диффузии было дано немецким физиологом А. Фиком (англ.) в 1855 г.
Содержание
Общее описание
Все виды диффузии подчиняются одинаковым законам. Скорость диффузии пропорциональна площади поперечного сечения образца, а также разности концентраций, температур или зарядов (в случае относительно небольших величин этих параметров). Так, тепло будет в четыре раза быстрее распространяться через стержень диаметром в два сантиметра, чем через стержень диаметром в один сантиметр. Это тепло будет распространяться быстрее, если перепад температур на одном сантиметре будет 10 °C вместо 5 °C. Скорость диффузии пропорциональна также параметру, характеризующему конкретный материал. В случае тепловой диффузии этот параметр называется теплопроводность, в случае потока электрических зарядов — электропроводность. Количество вещества, которое диффундирует в течение определённого времени, и расстояние, проходимое диффундирующим веществом, пропорциональны квадратному корню времени диффузии.
Диффузия представляет собой процесс на молекулярном уровне и определяется случайным характером движения отдельных молекул. Скорость диффузии в связи с этим пропорциональна средней скорости молекул. В случае газов средняя скорость малых молекул больше, а именно она обратно пропорциональна квадратному корню из массы молекулы и растёт с повышением температуры. Диффузионные процессы в твёрдых телах при высоких температурах часто находят практическое применение. Например, в определённых типах электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) применяется металлический торий, продиффундировавший через металлический вольфрам при 2000 °C.
Если в смеси газов масса одной молекулы в четыре раза больше другой, то такая молекула передвигается в два раза медленнее по сравнению с её движением в чистом газе. Соответственно, скорость диффузии её также ниже. Эта разница в скорости диффузии лёгких и тяжёлых молекул применяется, чтобы разделять субстанции с различными молекулярными весами. В качестве примера можно привести разделение изотопов. Если газ, содержащий два изотопа, пропускать через пористую мембрану, более лёгкие изотопы проникают через мембрану быстрее, чем тяжёлые. Для лучшего разделения процесс производится в несколько этапов. Этот процесс широко применялся для разделения изотопов урана (отделение 235 U от основной массы 238 U). Поскольку такой способ разделения требует больших энергетических затрат, были развиты другие, более экономичные способы разделения. Например, широко развито применение термодиффузии в газовой среде. Газ, содержащий смесь изотопов, помещается в камеру, в которой поддерживается пространственный перепад (градиент) температур. При этом тяжёлые изотопы со временем концентрируются в холодной области.
Уравнения Фика
С точки зрения термодинамики движущим потенциалом любого выравнивающего процесса является рост энтропии. При постоянных давлении и температуре в роли такого потенциала выступает химический потенциал µ, обуславливающий поддержание потоков вещества. Поток частиц вещества пропорционален при этом градиенту потенциала
В большинстве практических случаев вместо химического потенциала применяется концентрация C. Прямая замена µ на C становится некорректной в случае больших концентраций, так как химический потенциал перестаёт быть связан с концентрацией по логарифмическому закону. Если не рассматривать такие случаи, то вышеприведённую формулу можно заменить на следующую:
которая показывает, что плотность потока вещества J [
] пропорциональна коэффициенту диффузии D [(
)] и градиенту концентрации. Это уравнение выражает первый закон Фика. Второй закон Фика связывает пространственное и временное изменения концентрации (уравнение диффузии):
Коэффициент диффузии D зависит от температуры. В ряде случаев в широком интервале температур эта зависимость представляет собой уравнение Аррениуса.
Дополнительное поле, наложенное параллельно градиенту химического потенциала, нарушает стационарное состояние. В этом случае диффузионные процессы описываются нелинейным уравнением Фоккера—Планка. Процессы диффузии имеют большое значение в природе:
Геометрическое описание уравнения Фика
Во втором уравнении Фика в левой части стоит скорость изменения концентрации во времени, а в правой части уравнения — вторая частная производная, которая выражает пространственное распределение концентрации, в частности, выпуклость функции распределения температур, проецируемую на ось х.
Диффузия
Цель: расширить знания о диффузии, объяснить физическую природу явления диффузии, подтвердить теоретические факты опытными результатами, обобщить приобретённые знания и сделать выводы
Диффузия – это взаимное проникновение одного вещества между молекулами другого.
Большую роль в жизни живой природы играют диффузионные процессы, определяющие нормальный обмен веществ между организмом и средой, а также между различными частями самого организма. Питание и дыхание – типичные диффузионные процессы. В процессе дыхания происходит диффузия кислорода О2 и углекислого газа СО2 через стенку легочного пузырька. Для понимания этих процессов необходимо учитывать условия, обеспечивающие или затрудняющие диффузию. Так, дыхание – диффузия кислорода из окружающей среды внутрь организма сквозь его покровы – происходит тем быстрее, чем больше поверхность соприкосновения тела и окружающей среды, и тем медленнее, чем толще и плотнее покровы тела. Отсюда понятно, что малые организмы, у которых размеры поверхности велики сравнительно с объемом тела, могут обходиться вовсе без специальных органов дыхания, удовлетворяясь притоком кислорода исключительно через наружную оболочку (если она достаточно тонка и увлажнена). У организмов более крупных дыхание через кожу может оказаться более или менее достаточным только при условии, если покровы чрезвычайно тонки (земноводные); при грубых покровах необходимы специальные органы дыхания. Основные физические требования к этим органам – максимум поверхности и минимум толщины и увлажненность покрова.
Бесспорно, анализируя этот аспект жизнедеятельности всех живых существ, диффузия играет огромную роль.
Проведем ряд опытов, доказывающих практическую значимость диффузии.
«Диффузия в жидкостях»
(учебник «Физика. 7 класс» А.В. Перышкин, Дрофа, 2012. Параграф 10, «Диффузия в газах, жидкостях и твердых телах», рис. 24, задание после параграфа № 2.)
Предметы и материалы
Проводим эксперимент
Капнем в воду немного йода и проследим за ее поведением.
Гипотеза
Действительно ли капля йода постепенно раствориться в воде, окрасив ее в соответствующий цвет.
Объясняем
«Сцепление свинцовых цилиндров»
(учебник «Физика. 7 класс» А.В. Перышкин, Дрофа, 2012. Параграф 11, «Взаимное притяжение и отталкивание молекул», рис. 26.)
Предметы и материалы
Проводим эксперимент
Перед началом опыта необходимо тщательно зачистить стугом свинцовые поверхности цилиндров. Устанавливаем цилиндры в устройство для фиксации, прижав их друг к другу зачищенными поверхностями прижимным винтом. Закручиваем прижимной винт. Подождав некоторое количество времени можно слабить прижимной винт, достать сцепленные цилиндры.
Гипотеза
Действительно ли два свинцовых цилиндра будут соединены между собой.
Объясняем
Зачищение свинцовых цилиндров необходимо для того, чтобы максимально выровнить поверхности и очистить от окисления. Тем самым мы добиваемся наиболее плотного прилегания одной поверхности к другой. На данном этапе очень хорошо заметно проявление сил притяжения между молекулами, когда они находятся очень близко друг к другу. Но чем дольше цилиндры будут сцеплены и находясь под некоторым грузом, все отчетливее будет взаимное проникновение молекул одного цилиндра между молекулами другого – диффузия.
«Зависимость диффузии от температуры»
(учебник «Физика. 7 класс» А.В. Перышкин, Дрофа, 2012. Параграф 10, «Диффузия в газах, жидкостях и твердых телах», задание после параграфа № 1.)
Предметы и материалы
Проводим эксперимент
Нальем в один стакан воду комнатной температуры, а в другой горячую воду. Опустим в каждый из стаканов по одной чайной ложке сахара.
Гипотеза
Действительно ли в стакане с горячей водой сахар раствориться быстрее.
Объясняем
Нам известно, что при любой температуре в веществе есть молекулы, двигающиеся довольно медленно, и молекулы, скорость которых высока. Если количество молекул вещества, имеющих высокую скорость, увеличивается, т. е. увеличивается средняя скорость молекул, то это значит, что температура вещества также увеличивается. Чем быстрее будут двигаться молекулы воды, тем чаще они будут соударяться с молекулами сахара, и тем быстрее будет происходить процесс взаимного перемешивания одного вещества с другим. С увеличением температуры процесс взаимного проникновения молекул воды между молекулами сахара – диффузия – происходит гораздо быстрее.
На практике
В природе
Интересные факты о диффузии
Около 27 тонн космической пыли падает на Землю каждый день. За год более 10 000 тонн пыли приземляется на Землю.
Если очень гладко отшлифованные пластинки свинца и золота положить одна на другую и поставить на них некоторый груз, то через 4-5 лет они проникнут взаимно друг друга на 1 мм.
В сказках диффузия помогает героям. Отрывок из ассирийской сказки «Царь Зимаз»: «Был у царя умный советник Аяз, которого он очень уважал. Как обычно бывает в таких случаях, у Аяза были враги, которые его оклеветали перед царем, и тот, послушав их, заключил его в тюрьму. Когда к Аязу пришла жена, он велел ей поймать большого муравья, привязать к его лапке крепкую нитку длиной сорок метров, к свободному концу её привязать верёвку такой же длину и пустить муравья по наружной стене тюрьмы в указанном месте. Как сказал Аяз, так жена и сделала. Сам же Аяз накрошил на окно камеры сахара и муравей по запаху сахара добрался до камеры, где сидел Аяз».
А пословицы – это сплошная диффузия:
«Как муравьи находят путь домой?»
Муравьи помечают свой путь капельками пахучей жидкости, они прижимаются брюшком к земле и передают ей свой запах. Некоторые муравьи не всегда бегут точно по намеченному пути, а сбоку от трассы, потому что запах достаточно силен. Потеряв след, они кругами вновь находят «дорогу» и спешат по ней. Муравьиные трассы бывают длиной несколько метров.
Благодаря диффузии, насекомые находят себе пищу. Бабочки, порхая меж растений, всегда находят дорогу к красивому цветку. Пчелы, обнаружив сладкий объект, штурмуют его своим роем.
А растение растет, цветет для них тоже благодаря диффузии. Ведь мы говорим, что растение дышит и выдыхает воздух, пьет воду, получает из почвы различные микродобавки.
Плотоядные животные находят своих жертв тоже благодаря диффузии. Акулы чувствуют запах крови на расстоянии нескольких километров, также как и рыбы пираньи.
Экология окружающей среды ухудшается за счёт выбросов в атмосферу, в воду химических и прочих вредных веществ, и это всё распространяется и загрязняет огромные территории. А вот деревья выделяют кислород и поглощают углекислый газ с помощью диффузии.
На принципе диффузии основано перемешивание пресной воды с соленой при впадении рек в моря. Диффузия растворов различных солей в почве способствует нормальному питанию растений.
Диффузия: кого, куда и вообще
В школьном курсе физики обычно упоминаются два примера диффузии — кусок свинца и кусок золота, которые прижали друг к другу, и флакон с духами, который открыли в комнате. Первая ситуация намного сложнее, чем кажется, а во второй ситуации запах распространяется в основном вообще не из-за диффузии. Объединяет же эти две ситуации то, что в обоих случаях происходит распространение одного вещества в другом. Но для того чтобы можно было говорить о диффузии, даже это не обязательно! Потому что есть понятие самодиффузия. С другой стороны, не всякое распространение стоит называть диффузией. Однако, попробуем рассказать об всем по порядку.
Начнем именно с этой самой самодиффузии. Которых есть даже две — объемная и поверхностная. Пусть у нас имеется кусок вещества и пусть все его атомы одинаковы. Эти атомы колеблются вокруг положений равновесия, причем амплитуды колебаний сами могут изменяться. Вот некоторый атом так сильно отклонился от положения равновесия, что вообще не вернулся обратно, а переместился в другое «устойчивое положение» и, естественно, занялся колебаниями вокруг него.
В этом месте критически мыслящий школьник должен задать вопрос: оба процесса зависят от времени, как мы их разделим? Может, атом вообще только и делает, что прыгает? Ответ звучит так: оцените и сравните время колебания атома в решетке и среднее время перескока атома в соседнее положение. Очень грубая приближенная оценка дает для этих времен значения 10 −12 с и 10 −5 с соответственно. Таким образом, атом перемещается в соседнее положение, совершив в среднем десять миллионов колебаний.
Вопрос 1. Как можно оценить эти времена?
Максимальную скорость движения атомов в процессе колебаний можно оценить, приравняв тепловую энергию кинетической. Время, соответственно, будет иметь порядок амплитуды колебаний, деленной на эту скорость. Амплитуда — явно не более десятой доли межатомного расстояния. А среднее время перескока оценим как отношение расстояния диффузии, деленное на время диффузии. Цифры возьмем для школьного примера со свинцом и золотом, например 5 лет и 1 мм, впрочем, различие ответов так велико (7 порядков), что конкретные цифры не столь важны.
Но если атомы одинаковы, то как определить, что они перемещаются? Надо как-то их пометить — так, чтобы это не повлияло на их перемещение, но позволило отличать одни от других. Предположим, нам надо исследовать самодиффузию в каком-то элементе. Возьмем немножко изотопа этого элемента, добавим его в какое-то место образца и посмотрим, как эти редкие атомы расползаются по образцу. Особенно это удобно делать, если добавленный изотоп радиоактивен — тогда мы можем измерять активность разных частей образца. Соответствующий метод называется довольно естественно: «метод меченых атомов». Правда, тут есть одно возражение. Атомы изотопов одного элемента имеют разные массы, а масса влияет на колебания. Поэтому атомы добавленного изотопа могут диффундировать не совсем так, как атомы исходного образца. Обычно этим пренебрегают, но при необходимости данный эффект можно попытаться обнаружить.
Вопрос 2. Подумайте, как.
В качестве «метки» можно использовать разные изотопы с разной массой атомов и посмотреть, одинаковые ли результаты получатся. Разница обнаружится. И это видно из ответа на предыдущий вопрос — как только мы произнесли слово «колебания», вспоминается груз на пружине. Скорость диффузии зависит от массы, но для конца Таблицы Менделеева отношение разности масс изотопов к массе атома невелико. Поэтому, в частности, диффузионное разделение изотопов урана так трудоемко. А вот заменять водород дейтерием явно не стоит.
Самодиффузия важна для нескольких процессов, например для спекания порошков или для медленного изменения размеров образца под нагрузкой (крип, или ползучесть). Процесс спекания порошков очень широко применяется в технике — так, именно спеканием порошков получают многие металлические и большинство керамических изделий. А ползучесть важна, скажем, для лопаток турбин; по понятным причинам у нее даже есть специальное название: «высокотемпературная ползучесть». Для спекания порошков важна не только просто самодиффузия, т.е. перемещение атомов в объеме, но и так называемая поверхностная диффузия или поверхностная миграция, т.е. перемещение атомов по поверхности. Представьте себе контакт между двумя маленькими шариками по еще более маленькому пятнышку. Спекание — это увеличение размеров этого контакта. Чтобы подобраться к нему по объему, атомам приходится протискиваться через область сечением, пропорциональным площади пятнышка, т.е. квадрату диаметра, а чтобы подползти по поверхности, нужно двигаться по дорожке хоть и узкой, но по ширине равной периметру пятнышка, т.е. первой степени диаметра. Иными словами, при уменьшении диаметра путь по объему усложняется быстрее, чем путь по поверхности. Кроме того, атом в объеме связан с большим числом атомов, чем атом на поверхности, и поэтому диффундировать атому труднее, чем мигрировать.
В однородном образце с самодиффузией может быть связано еще несколько процессов. Один из них — перемещение дефектов кристаллической решетки. Если этот дефект представляет собой лишний атом (атом в междоузлии) или отсутствие атома там, где он должен быть (вакансия), то связь перемещения дислокации и перемещения атома очевидна. В первом случае это просто одно и то же, во втором — вакансия «перемещается» строго навстречу перемещению атома. В некоторых случаях связь сложнее, но она все равно есть. Почему же говорят о диффузии вакансий и анализируют поведение вакансий, а не только атомов? Потому же, почему мы говорим «тело летит» или «тело вращается», а не пишем уравнения для движения его молекул. Во-первых, так проще, а во-вторых, во многих случаях нам важно именно движение тела, а не составляющих его молекул.
Вопрос 3. А если каким-то чудом часть молекул тела начнет двигаться иначе, то что произойдет?
Конечно, это шутка — молекулы сами по себе начать двигаться иначе не могут. Но если все же они это сделают, то возможны две ситуации. Если эта часть молекул оторвется и улетит, то мы увидим изменение массы и скорости того, что останется; если это внутренние молекулы, то обнаружим изменение только скорости (при сохранении импульса).
Аналогичная ситуация имеет место в проводимости полупроводников — вспомните понятие «дырка».
На самодиффузию могут влиять внешние факторы — все, что как-то влияет на атомы или, если это ионная решетка, на ионы, т.е. электрические поле и ток. Влияние тока называют электронным ветром, и в металлах он преобладает. Перемещение ионов и вакансий под действием тока существенно в микросхемах. Плотность тока в проводниках микросхем весьма велика (токи-то небольшие, но сечение проводников уж очень мало), электроны движутся по проводнику, увлекают за собой ионы, дислокации-вакансии движутся, стало быть, навстречу, скапливаются на одном из концов проводника, он делается тоньше и в итоге разрывается.
Вопрос 4. Кстати, что еще происходит при этом процессе?
Утоньшение проводника влечет увеличение плотности тока и локальный разогрев, который ускоряет самодиффузию.
Что будет происходить, если вещество состоит не из отдельных атомов или ионов, а из многоатомных молекул — как, например, твердые водород, кислород, азот, галогены? Ничего ужасного, просто диффундировать будут не отдельные атомы, а, естественно, молекулы. А если эти молекулярные кристаллы состоят из молекул, которые сами состоят из разных атомов — например, H2O, CO2, окислы азота, многие органические вещества? Опять же, ничего принципиально нового — хотя мы уже имеем дело с разными атомами, но они составляют молекулы, которые ведут себя, как целое.
Картина существенно меняется, когда вещество состоит из разных атомов, не связанных в молекулы. Тогда каждый атом может диффундировать, причем разные атомы диффундируют по-разному. Но при этом диффузия каждого зависит от диффузии остальных. Рассмотрим часто встречающийся случай, когда у нас имеется матрица и малая примесь. Однако и этот случай не прост, потому что есть несколько путей диффузии. Атом примеси может диффундировать, скажем так, сам по себе, прыгая из одного положения между атомами основного вещества в другое — как диффундировала бы мышь в человеческой толпе. Но он может диффундировать, пользуясь вакансиями, т.е. пустыми местами в решетке. Причем вакансии диффундируют сами по себе, это один из механизмов самодиффузии. Таким образом, диффузия примеси оказывается связана с самодиффузией материала матрицы.
Но этим дело не исчерпывается. На диффузию начинают влиять свойства, которые принято называть химическими. Если одно вещество диффундирует в другое и в какой-то зоне концентрация превосходит предел растворимости, то появляется новая фаза, т.е. образуется соединение. Иногда это отдельные участки, так называемые включения второй фазы, а иногда это сплошные слои. Включения второй фазы существенно изменяют механические свойства вещества, а сплошные слои влияют на дальнейшие процессы диффузии.
Как уже говорилось, в матрице — если только это не идеальный монокристалл, причем при абсолютном нуле — есть дислокации, нарушения. Вакансии — это только один из их типов, но есть и другие, чьи концентрация и подвижность растут с ростом температуры. Дислокации некоторых типов создают возможности для диффузии примесей, причем эти возможности сложным образом зависят от температуры. В поликристаллах ко всей этой картине добавляются границы между кристаллами, так называемые межзеренные границы. И они тоже могут являться путями диффузии примесей.
Границы между кристаллами — это их поверхности. А диффузия по поверхности идет легче, чем по объему, потому что атом на поверхности имеет меньше связей с другими атомами, нежели атом в объеме, и ему легче разорвать часть этих связей, чтобы переместиться в новое положение. Поверхностная диффузия стала важна для техники, когда в 60-е годы прошлого века вошла в моду порошковая металлургия. Важна она и поныне хотя бы потому, что позволяет спеканием порошков (а это поверхностная диффузия) получать материалы, которые невозможно получить другими методами. В ближайшие десятилетия роль поверхностной диффузии и вообще поверхностных эффектов будет только возрастать — чем меньше объект, тем больше отношение поверхности к объему, а значит, тем существеннее роль именно поверхности.
Вопрос 5. Подумайте, почему.
Объем и масса пропорциональны кубу линейных размеров, а поверхность пропорциональна второй степени. Поэтому поверхность фиксированной массы порошка при его измельчении растет обратно пропорционально размеру частиц.
Как делаются элементарные, но дающие правильные ответы расчеты, касающиеся диффузии, а также какие нетривиальные эффекты возникают, когда свинец прижат к золоту и оставлен в покое на какое-то время, вы можете узнать из двух замечательных книжек: Гегузин Я. Е. «Очерки о диффузии в кристаллах» и Бокштейн Б. С. «Атомы блуждают по кристаллу» (Библиотечка «Квант», вып. 28). Насчет именно свинца и золота — шутка. В этих книжках рассказано о многих экспериментах; в интернете они есть на многих сайтах. Диффундируйте и наслаждайтесь.
До сего момента речь шла о диффузии в твердом теле. Диффузия в жидкостях и газах, конечно, возможна, но тут есть свои особенности. Главная — движение потоков, течения в жидкости, сквозняки и ветер в атмосфере. Они тоже переносят вещество, и в обычных условиях гораздо эффективнее, чем диффузия. Поэтому пример «диффузии», который часто приводится в книжках, а именно распространение запаха духов, неверен. Это не диффузия, а ветер.
Вопрос 6. Кстати, от чего еще, кроме диффузии и скорости ветра, зависит распространение запаха?
От чувствительности конкретного носа к конкретному запаху. Поэтому взгляды собак на диффузию могут отличаться от наших.
Когда мы обсуждали диффузию в твердом теле, то разделили диффузию в объеме и по поверхности. Приповерхностный слой может немного отличаться от объема — для жидкостей это указано в школьном учебнике. Для твердых тел такое отличие тоже возможно — по концентрации дислокаций, по электронным свойствам, по составу. Поэтому диффузия в приповерхностной области идет иначе, нежели в объеме. Но поверхностной диффузией или миграцией называют не ее, а именно перемещение по самой поверхности, ползание по ней.
А существует ли поверхностная диффузия в жидкостях и газах? Сама граница жидкости, как явление природы, вполне существует. Границу жидкости с твердым телом и газом мы видим в каждой луже и каждом стакане. Границу газа с твердым телом и жидкостью мы тоже видим постоянно. Границу двух жидкостей вам могли показывать на уроке.
Вопрос 7. А как увидеть границу двух газов?
Для этого один из газов должен быть окрашенным. Знаем ли мы такие газы? Обычно называют бром, хлор, оксид азота IV, озон. Более полный список есть на сайте chemport.ru или спросите Google «интенсивно окрашенные газы».
Границу двух газов можно обнаружить косвенно, и это вам на уроке тоже почти наверняка показывали, но скорее всего — на уроке химии. А раз существуют границы между двумя жидкостями и между двумя газами, а также между жидкостью и газом, то вполне можно спросить: существует ли поверхностная диффузия в этих трех случаях?
Вопрос 8. Почему вода испаряется быстрее, когда над ней дует ветерок? Какой побочный процесс может уменьшать этот эффект?
Испарение воды тормозится медленной диффузией молекул воды в приповерхностном слое воздуха, причем влияние воздуха ослабевает, если дует ветерок — испаренное сдувается, и нет обратного потока. А побочный процесс — это влияние испарения на температуру жидкости (если она не термостатирована).
Диффузией в физике называют распространение не только атомов или молекул, но и элементарных частиц. Скажем, диффузией излучения называют распространение излучения в среде при наличии многократного поглощения и последующего некогерентного испускания фотонов. Заметим, что распространение излучения в лазере, когда имеет место когерентность, так не называют. Пример диффузии излучения — распространение излучения в плотном горячем газе, например в атмосфере Солнца. В действительности аналогия между диффузией атомов и диффузией излучения не точна, потому что после поглощения кванта одной частоты может быть испущен новый квант другой частоты. Например, при тех температурах, которые имеются в центре Солнца, а это 15 миллионов градусов, основная энергия излучения приходится на рентгеновский диапазон. Но из-за многократного поглощения и переизлучения до поверхности излучение доходит за время порядка 1 миллиона лет, при этом его спектр существенно изменяется — длина волны увеличивается в 2500 раз, и мы получаем водимое излучение.
Что касается диффузии других элементарных частиц, то за примером далеко ходить не надо — диффузия водорода в металлах (он неплохо диффундирует в палладии, никеле и некоторых других) происходит в виде ионов водорода. А что это, как не элементарные частицы — протоны? Вот про диффузию в металлах дейтерия и трития этого сказать уже нельзя.
В атомном реакторе диффундируют нейтроны, возникающие при распаде ядер. Быстрые нейтроны при диффузии отдают энергию среде и замедляются. Если поглощение нейтронов мало, то они замедляются до тепловой энергии и продолжают диффундировать в среде, пока не поглотятся одним из ядер (вызвав, возможно, его распад) или не выйдут за границу среды.
В качестве внешних факторов, влияющих на диффузию, выше были названы ток (электронный ветер) и электрическое поле. Причем это поле может быть внешнего происхождения (батарейка и проводочки), а может быть и внутреннего происхождения. Представьте себе частично ионизированную плазму. Электроны существенно легче ионов, они диффундируют быстрее, чем ионы, и если плазма не заполняет какой-то объем полностью и электронам есть куда сбежать, то они отдаляются от ионов. Заряды разделяются, возникает электрическое поле, которое тормозит электроны и пытается ускорить ионы. Но второе у него получается плохо — именно потому, что ионы тяжелее во много раз. Процесс диффузии, при котором электроны в значительной мере привязаны полем к ионам и поэтому в основном сохраняется нейтральность плазмы, имеет свое название — амбиполярная диффузия. Правда, красиво?
Особая ситуация возникает, когда плазма погружена в магнитное поле. Оно ограничивает движение заряженных частиц поперек поля, заставляя их двигаться по винтовым траекториям. В этом случае наличие столкновений — это единственная возможность для частиц скачком изменить направление вектора скорости и сместиться поперек магнитного поля.
Слово «диффузия» вообще-то латинское и означает просто ‘распространение’. Поэтому в быту называют диффузией все, что хоть в каком-то смысле распространяется. Да и в физике это слово применяется шире, чем рассказано выше. Например, иногда говорят «распространение тепла», а иногда — «диффузия тепла». Впрочем, второе выражение применяется на порядок реже. Всякое ли распространение можно назвать диффузией? Для физики естественно деление каких-то процессов (например, процессов распространения) на группы (например, диффузии и не диффузии) по закономерностям, которым они подчиняются. Если распространяется вещество, то его можно характеризовать распределением в пространстве (на дне стакана с чаем сахар есть, а выше — нет), если тепло — распределением температуры (за окном холодно). Распространение характеризуется изменением концентрации в данном месте — сейчас вещества здесь нет, а вот через минуту оно появилось. Связь этих двух характеристик — распределения в пространстве и скорости изменения в данной точке — и будет основной характеристикой диффузии.
При любом ли распространении эта связь одинакова? Нет. Представьте себе, например, как капиллярными силами втягивается вода в губку. В каждой точке концентрация сначала ноль (вода еще не поднялась до этого уровня), потом концентрация скачком возрастает и перестает изменяться. Правда же, сахар в стакане и тепло в ручке сковороды (осторожно!) распространяется не так? Тем не менее, говорят и про диффузию в пористых средах. Название — не самое главное в жизни, важнее правильно писать уравнения и решать задачи.
Если вы когда-то займетесь физикой диффузии, там вас ожидают многие и разные неожиданности. Вас ждет диффузия в новейших сплавах и в недрах Земли, диффузия в глубинах звезд и в межзвездном пространстве. Причем неожиданности будут встречаться на каждом шагу, как это обычно и бывает в физике. Например, вы обнаружите, что, согласно классическому уравнению теплопередачи и уравнению диффузии, скорость распространения получается. бесконечной. Физика, конечно, с этим как-то справляется, но как? Почему на это не часто обращают внимание? Почему это не мешает решать практические задачи, но почему об этом надо знать и помнить?
А потому, что сфера применения физики расширяется и в новой задаче может оказаться важным то, чем привыкли пренебрегать.