§ 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

количестве продиффундировавшего 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

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 (E/NQ), обычно составляют от долей до нескольких электрон-вольт. Так, для диффузии углерода в железе Е 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 1014 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 -Ю-10 см2/сек, а при 300° С уже 1 Л0'6см2/сек. Эти цифры показывают в то же время, насколько медленно идет процесс диффузии в твердых телах.

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.