Диффузия вокруг нас: примеры
Узнайте что такое диффузия и как проявляется диффузия вокруг нас: примеры из реальной жизни, к которым мы привыкли, однако не осознавали их природы.
Что такое диффузия?
Определение диффузии – это движение молекул или частиц из зоны более высокой концентрации в область меньшей концентрации, которое продолжается до достижения равновесия.
Определяющим качеством диффузии является то, что она происходит только потому, что диффузное вещество существует в большей концентрации в одном месте и меньшей концентрации в другом. Если вещество движется по другим причинам, таким как давление или сила, это уже не диффузия. Диффузия означает пассивное движение молекул вниз по градиенту концентрации.
А где же эта диффузия вокруг нас? Вот несколько практических примеров распространения диффузии из повседневной жизни.
Диффузия – примеры вокруг нас
Давайте проверим некоторые заметные примеры диффузии, которая случается в нашей повседневной жизни.
1. Парфюмерия/Ароматические палочки
Когда духи (ароматы, ароматические палочки, спреи для комнат, ароматические спреи) распыляются в одной части комнаты, они распространяются по всей комнате благодаря диффузии. Частицы парфюма движутся с зоны, где их большая концентрация, на всю комнату, где концентрация меньше.
2. Гелиевые шары
Гелиевые шары медленно сдуваются и теряют высоту. Это происходит потому, что гелий диффузирует из зоны, богатой гелием (шарик), в зону с низким гелием (внешняя среда).
3. Чайные пакетики
Когда мы кладем пакетик чая в чашку с водой, он автоматически смешивается с целой чашкой чая, и это происходит благодаря диффузии. Содержание чайного пакетика дифузуеться от высшей до низшей концентрации (вода в кружке).
4. Газированные напитки
Через несколько секунд открытия бутылки с газировкой пузырьки газа поднимаются на поверхность. Это объясняется тем, что концентрация СО2 (углекислого газа) в бутылке выше, чем во внешней среде, а следовательно, СО2 диффузирует от своей высокой концентрации к низшей.
5. Дыхание
К примерам диффизии относиться процесс дыхания. Когда мы дышим воздухом, вдох кислорода и выдох углекислого газа возможен только благодаря диффузионному процессу. Поэтому диффузия – жизненно важный процесс в дыхании.
6. Загрязнение воздуха
Диффузия вокруг нас – это не только о позитивных вещах. Кроме того, что диффузия применяется во быту, она также имеет некоторые минусы; загрязнение воздуха является крупнейшим минусом, вызванными диффузией.
Когда вредные газы, пары и токсичные частицы выделяются из различных техногенных источников, включая заводы (например, цементный завод, химические заводы, кирпичные печи и т.д.), транспортные средства и сжигание отходов; затем они загрязняют нормальный воздух процессом диффузии.
7. Транспортировка минералов и биомолекул у растений и животных
Наше выживание сильно зависит от процесса диффузии; поскольку при отсутствии диффузии наше тело не может нормально функционировать; ведь именно диффузия облегчает плавную циркуляцию минералов и биомолекул в нашем организме.
8. Выведение токсинов и прочих отходов из нашего организма
Наш организм постоянно нуждается в выводе токсинов, образующихся в процессе обмена веществ, и важнейшим органом для осуществления этой деятельности являются почки. Однако почки сами по себе не могут выполнить эту задачу, здесь также входит в действие концепция диффузии.
Почки состоят из нефронов, которые являются структурными и функциональными единицами почек. Они представляют собой микроскопические канальцы, которые фильтруют токсичное вещество из крови. Нефрон сначала отделяет отходы химических и токсических веществ из крови, а затем реабсорбирующего воду и питательные вещества в крови с помощью диффузии.
Итак, диффузия играет значительную роль также в фильтрации крови.
9. Пищевые красители
Общеизвестным примером диффузии вокруг нас являются пищевые красители.
Преимущества диффузии широко использоваются пищевой промышленностью, где окраска съедобных продуктов является общепринятой.
10. Теплопроводность
Теплопроводность или передача тепла также происходит с помощью диффузии. Тепло передается от более высокой температуры к низкой.
«Диффузия в нашей жизни»
Данный материал применяется как дополнительный при закреплении темы «Диффузия».
В нашей повседневной жизни мы иногда не замечаем некоторых физических явлений. Например, кто-то открыл флакон с духами, и мы, даже находясь на большом расстоянии, почувствуем этот запах. Поднимаясь по лестнице к своей квартире, мы можем ощутить запах пищи, приготовленной дома. Мы опускаем в стакан с горячей водой пакетик с заваркой для приготовления чая, и даже не замечаем, как заварка окрашивает всю воду в чашке. И это все происходит благодаря диффузии.
Явление диффузии играет большую роль в природе. Так, например, благодаря диффузии поддерживается однородный состав атмосферного воздуха вблизи поверхности Земли. Деревья выделяют кислород и поглощают углекислый газ с помощью диффузии. Корни растений захватывают необходимые для растения вещества из почвенных вод благодаря диффузионному потоку внутрь корней. На явлении диффузии основаны многие физиологические процессы, происходящие в организме человека: такие как дыхание, всасывание питательных веществ в кишечнике и др. С помощью диффузии происходит распространение различных газообразных веществ в воздухе: например, дым костра распространяется на большие расстояния.
Содержимое разработки
Очирова Алтана, учащаяся 7 класса
МКОУ «Татальская СОШ»
Руководитель – Чимидова Ритта Борисовна, учитель физики
Реферат на тему «Диффузия в нашей жизни»
В нашей повседневной жизни мы иногда не замечаем некоторых физических явлений. Например, кто-то открыл флакон с духами, и мы, даже находясь на большом расстоянии, почувствуем этот запах. Поднимаясь по лестнице к своей квартире, мы можем ощутить запах пищи, приготовленной дома. Мы опускаем в стакан с горячей водой пакетик с заваркой для приготовления чая, и даже не замечаем, как заварка окрашивает всю воду в чашке.
И это все происходит благодаря диффузии.
Диффузия — явление, при котором происходит взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого.
Явление диффузии играет большую роль в природе. Так, например, благодаря диффузии поддерживается однородный состав атмосферного воздуха вблизи поверхности Земли. Деревья выделяют кислород и поглощают углекислый газ с помощью диффузии. Корни растений захватывают необходимые для растения вещества из почвенных вод благодаря диффузионному потоку внутрь корней. На явлении диффузии основаны многие физиологические процессы, происходящие в организме человека: такие как дыхание, всасывание питательных веществ в кишечнике и др.
С помощью диффузии происходит распространение различных газообразных веществ в воздухе: например, дым костра распространяется на большие расстояния.
Результатом этого явления может быть выравнивание температуры в помещении при проветривании. Таким же образом происходит загрязнение воздуха вредными продуктами промышленного производства и выхлопными газами автомобилей. Природный горючий газ, которым мы пользуемся дома, не имеет ни цвета, ни запаха. При утечке заметить его невозможно, поэтому на распределительных станциях газ смешивают с особым веществом, обладающим резким, неприятным запахом, который легко ощущается человеком.
Благодаря явлению диффузии нижний слой атмосферы – тропосфера – состоит из смеси газов: азота, кислорода, углекислого газа и паров воды. При отсутствии диффузии произошло бы расслоение под действием силы тяжести: внизу оказался бы слой тяжёлого углекислого газа, над ним – кислород, выше – азот инертные газы.
В небе мы тоже наблюдаем это явление. Рассеивающиеся облака – тоже пример диффузии и как точно об этом сказано у Ф.Тютчева: «В небе тают облака…»
В жидкостях диффузия протекает помедленнее, чем в газах, но этот процесс можно ускорить, с помощью нагревания. Например, чтобы быстрее засолить огурцы, их заливают горячим рассолом. Мы знаем, что в холодном чае сахар растворится медленнее, чем в горячем.
Летом, наблюдая за муравьями, мы всегда задумывались над тем, как они в огромном для них мире, узнают дорогу домой. Оказывается, и эту загадку открывает явление диффузии. Муравьи помечают свой путь капельками пахучей жидкости.
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.
Во всех приведенных примерах мы наблюдаем взаимное проникновение молекул веществ, т.е. диффузию. На этом процессе основаны многие физиологические процессы в организме человека и животных: такие как дыхание, всасывание и др. В общем, диффузия имеет большое значение в природе, но это явление также вредно в отношении загрязнения окружающей среды.
Не всегда диффузия благо для человека. К сожалению, необходимо отметить и вредные проявления этого явления. Дымовые трубы предприятий выбрасывают в атмосферу углекислый газ, оксиды азота и серы. В настоящее время общее количество эмиссии газов в атмосферу превышает 40 миллиардов тонн в год. Избыток углекислого газа в атмосфере опасен для живого мира Земли, нарушает круговорот углерода в природе, приводит к образованию кислотных дождей. Процесс диффузии играет большую роль в загрязнении рек, морей и океанов. Годовой сброс производственных и бытовых стоков в мире равен примерно 10 триллионов тонн. Загрязнение водоёмов приводит к тому, что в них исчезает жизнь, а воду, используемую для питья, приходится очищать, что очень дорого. Кроме того, в загрязненной воде происходят химические реакции с выделением тепла. Температура воды повышается, при этом снижается содержание кислорода в воде, что плохо для водных организмов. Из-за повышения температуры воды многие реки теперь зимой не замерзают. Для снижения выброса вредных газов из промышленных труб, труб тепловых электростанций устанавливают специальные фильтры. Для предупреждения загрязнения водоемов необходимо следить за тем, чтобы вблизи берегов не выбрасывался мусор, пищевые отходы, навоз, различного рода химикаты.
Как велико значение диффузии в неживой природе, а существование живых организмов было бы невозможно, если бы не было этого явления. К сожалению, приходится бороться с отрицательным проявлением этого явления, но положительных факторов намного больше.
Диффузия присутствует во всех сферах жизнедеятельности человека, без этого явления жизнь на Земле была бы невозможна.
Исследовательская работа «Проявление диффузии в быту»
VII ГОРОДСКАЯ МЕЖШКОЛЬНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ
«Проявление диффузии в быту»
имени Героя РФ А.И. Баранова
Устинова Татьяна Владимировна, учитель физики
Глава 1. Определение понятия «диффузия»………………………………4
Глава 2. Закономерности протекания диффузии………………..……….7
Глава 3. Диффузия вокруг нас
3.1. Диффузия в жизни человека……………………………………8
3.2. Диффузия в живой природе…………………………………….10
3.3.Влияние человека на протекание диффузии в природе …,…..12
Глава 4 Диффузия в быту и технике………………………………..…….14
Отыщи всему начало – и ты многое поймёшь
В настоящее время доказательства положений молекулярно – кинетической теории настолько многочисленны и убедительны, что существование молекул принято как установленный факт. Из большого числа научных положений и опытных фактов, относящихся к молекулярно – кинетической теории, наибольший интерес вызывает явление диффузии. Переоценить значение и роль данного процесса в жизни человечества, да и всего живого трудно. Диффузия является одним из важных процессов в жизнеобеспечении людей и живой природы Земли. Она встречается повсюду, ее проявления есть и в природе, и в технике, и в быту. К сожалению, диффузионные процессы оказывают не только положительное, но и негативное влияние на жизнь человека, животных и растений.
Ежедневно, выпиваю чашку чая или кофе, мы и не догадываемся, что наблюдаем явление диффузии, наслаждаться ароматами цветов и фруктов было бы невозможно без данного явления.
Целью данной работы является углубление знаний по рассматриваемой теме, исследование особенностей протекания диффузии в различных средах, и рассмотрение применения ее в быту.
Для достижения поставленной цели поставлены следующие задачи:
Рассмотреть и систематизировать материал по теме;
Выяснить особенности и закономерности протекания диффузии;
Показать применение диффузионных процессов в повседневной жизни, в быту;
Проверить на практике опыты, описанные в учебной литературе.
Глава 1. Определение понятия «Диффузия»
Диффузия (лат. diffusion – распространение, растекание, рассеивание) – процесс переноса вещества или материи из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией. 1
В школьных учебниках диффузия определяется как явление, при котором происходит взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого. 2 Данный процесс обусловлен хаотическим тепловым движением молекул и заключается в переносе частиц и взаимном проникновении вещества. Диффузия происходит в направлении падения концентрации вещества и ведет к равномерному распределению вещества по всему занимаемому им объему. Диффузия крупных частиц, взвешенных в газе или жидкости, осуществляется благодаря их броуновскому движению.
Р.Броун модель броуновского движения
Основоположник броуновского движения стал ботаник Роберт Броун, который в 1827 году в Англии, разглядывая в микроскоп плавающие в воде крошечные частицы цветочной пыльцы, заметил непрестанную беспорядочную «пляску» тех самых частиц. Теория броуновского движения, основанная на предположении, что оно обусловлено ударами молекул, была создана в начале 20-го века. Следствия этой теории подтвердились на опыте, благодаря чему броуновское движение стало опытным подтверждением молекулярного строения вещества и движения молекул. 3
Диффузия является фундаментальным процессом, лежащим в основе функционирования живых систем любого уровня организации, начиная с уровня элементарных частиц (электронная диффузия) и заканчивая биосферным уровнем (круговорот веществ в природе).
Диффузия – результат хаотического движения всех частиц вещества, всякого механического воздействия. Движения частиц при диффузии совершенно случайны, все направления смещения равновероятны.
Так как частицы движутся и в газах, и в жидкостях, и в твердых телах, то в этих веществах возможна диффузия. Наглядно процесс смешивания можно показать следующим образом:
Сначала между двумя телами четко видна граница раздела двух сред. Затем, вследствие своего движения отдельные частицы вещества, находящиеся около границы, обмениваются местами. Граница между веществами расплывается. Проникнув между частицами другого вещества, частицы первого начинают обмениваться местами с частицами второго, находящимися во все более глубоких слоях. Граница раздела веществ становится все более расплывчатой. Благодаря непрерывному и беспорядочному движению частиц этот процесс приводит, в конце концов, к тому, что раствор в сосуде становится однородным.
Глава 2. Закономерности протекания диффузии
Скорость диффузии увеличивается с ростом температуры, так как молекулы взаимодействующих тел начинают двигаться быстрее.
Наиболее быстро протекает диффузия в газах, медленнее в жидкостях и еще медленнее в твердых телах. Дело в том, что в газах и жидкостях основной вид теплового движения частиц приводит к их перемешиванию, а в твердых телах, где атомы совершают малые колебания около положения узла решетки, нет.
Диффузия осуществляется между взаимно растворимыми или смешивающимися жидкостями. Все растворы существуют благодаря процессу диффузии. Диффузия очень медленно происходит между несмешивающимися жидкостями, например, вода и подсолнечное масло. В отличие от жидкостей, газы смешиваются друг с другом и могут диффундировать один в другой.
Для подтверждения этих данных были проведены ряд исследований.
Опыт №1. Зависимость скорости протекания диффузии от температуры.
Вывод: скорость диффузии увеличивается с ростом температуры.
Опыт №2. Сравнение протекания диффузии в жидкостях и твердых телах.
Имитацией твердого тела послужит раствор желатина. Для приготовления раствора, необходимо 1 ложку желатина опустить в холодную воду примерно на 2 часа, чтобы порошок набух, затем смесь нагреем, чтобы раствор был однородным. Затем, в остывший раствор, аккуратно введем кристаллик KMnO 4. Результат придется подождать длительно время.
Вывод: Диффузия в твердых телах проходит дольше, чем в жидкостях. А в жидкостях быстрее, и в газах.
Глав №3. Диффузия вокруг нас
3.1 Диффузия в жизни человека
Диффузия происходит и в самом организме человека. Пищеварение и дыхание человека основано на диффузии.
Легкие человека Кишечник человека
Как видно из приведенных примеров диффузионные процессы играют очень важную роль в жизни людей.
3.2 Диффузия в живой природе
За последние десятилетия люди в корне изменили свой взгляд на леса Земли. Лес – это не просто будущие дрова, доски, брёвна, а одно из главных звеньев громадной природной цепи. Леса – легкие планеты, помогающие дышать всему живому. Один гектар леса за год очищает 18 млн м 3 воздуха от углекислого га, поглощает 64 т других газов и пыли, поставляя взамен миллионы кубометров кислорода. Процесс очистки воздуха происходит благодаря диффузии. 5
Скунс обнюхивает местность Кот метит свою территорию
Самый распространенный способ общения насекомых – с помощью обонятельных химических средств. Есть привлекающие ароматы (аттрактанты), а есть отталкивающие (репелленты), воспринимаемые обонятельными дырочками (порами) на усиках. К аттрактантам относятся феромоны и гормоны. Благодаря диффузии насекомые находят себе пищу. Бабочки, пархая меж растений, всегда находят дорогу к красивому цветку. Пчелы, обнаружив сладкий объект, штурмуют его. А растение растет, цветет для них же благодаря диффузии. Ведь мы говорим, что растение дышит и выдыхает воздух, пьет воду, получает и почвы различные микроэлементы, необходимые для полноценного роста. 6
Бабочка на цветке Пчела собирает нектар
Плотоядные животные находят своих жертв тоже благодаря диффузии. Акулы и рыбы пираньи чувствуют запах крови на расстоянии нескольких километров. Есть данные, что акула может почувствовать запах крови на расстоянии до 5 км.
Акула на охоте Пиранья
Лесные санитары – волки, находят добычу по запаху. Вынюхивая по запаху, как говорят, по следу, собаки находят нарушителя. Благодаря своему чуткому носу, собаки являются верными помощниками криминалистов.
Во всех приведенных примерах мы наблюдаем взаимное проникновение молекул веществ, т.е диффузию, которая, как мы видим, имеет большое значение в природе.
3.3 Влияние человека на протекание диффузии в природе
Рассматривая все многообразие проявлений диффузии вокруг нас, нельзя не отметить негативное влияние человека на протекание диффузионных процессов. Примерами таких опасных воздействий является вырубка лесов, осушение болот, уничтожение озонового слоя, выброс отходов в окружающую среду. В загрязнении воздуха вредными продуктами промышленного производства и выхлопными газами автомобилей огромную роль играет диффузия. Так же она вносит огромный вклад в загрязнение рек и озер, океанов продуктами жизнедеятельности людей.
Одним из примеров губительного влияния человека на процессы диффузии в природе являются крупномасштабные аварии, происходящие в бассейне разных водоемов. Так, по оценкам экспертов, в океан ежегодно попадает около 10 млн тонн нефти. Нефть на воде образует тонкую пленку, препятствующую газообмену между водой и воздухом. Кроме нефти, значительно вырос выброс в океан бытовых и промышленных сточных вод, содержащих такие опасные загрязнители, как свинец, ртуть, мышьяк. Фоновые концентрации таких веществ во многих местах уже превышены в несколько раз. 7
Разлив нефти в Хасанском районе Приморья Последствия разлива нефти
Вследствие явления диффузии воздух загрязняется отходами разных фабрик, из-за него вредных отходы жизнедеятельности человека проникают в почву, воду, а затем оказывают вредное влияние на жизнь и функционирование животных и растений. Увеличивается площадь земель, загрязненных выбросами промышленных предприятий. Одним из трудно решаемых в настоящее время вопросов является вопрос утилизации промышленных отходов, в том числе токсичных.
Насущной проблемой является загрязнение воздуха выхлопными газами, продуктами переработки вредных веществ, выбрасываемыми в атмосферу различными заводами и предприятиями.
Работа предприятий Выхлопные газы автомобилей
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.
