Номер 3.28, страница 11 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

§ 3. Молекулы и атомы. Движение молекул. Глава 1. Начальные сведения о физических понятиях - номер 3.28, страница 11.

3.28 [67] Как можно ускорить диффузию в твёрдых телах?

3.28.1

Диффузия в твёрдых телах представляет собой процесс перемещения атомов внутри кристаллической решётки. Этот процесс обычно протекает очень медленно из-за плотной упаковки атомов. Однако существуют несколько эффективных способов его ускорить.

1. Повышение температуры
Это самый действенный и фундаментальный способ ускорения диффузии. Зависимость скорости диффузии от температуры носит экспоненциальный характер и описывается уравнением Аррениуса для коэффициента диффузии $D$:

$D = D_0 \exp\left(-\frac{Q_d}{kT}\right)$

где $D_0$ — предэкспоненциальный множитель, $Q_d$ — энергия активации диффузии (энергия, необходимая атому для перемещения), $k$ — постоянная Больцмана, а $T$ — абсолютная температура.

При повышении температуры средняя кинетическая энергия атомов в решётке возрастает. Это приводит к двум последствиям:

• Атомы колеблются с большей амплитудой и частотой, что увеличивает вероятность того, что отдельный атом наберёт достаточно энергии ($Q_d$), чтобы совершить "прыжок" в соседнее вакантное место в решётке.
• Равновесная концентрация вакансий (пустых узлов) в кристалле также возрастает с температурой, что предоставляет больше путей для перемещения атомов.

На практике для ускорения таких процессов, как цементация (насыщение поверхностного слоя стали углеродом) или спекание порошковых материалов, используют высокотемпературный нагрев (отжиг).

2. Увеличение количества дефектов в кристаллической структуре
Атомы могут перемещаться не только через объём идеальной решётки (объёмная диффузия), но и вдоль дефектов структуры, которые служат своего рода "скоростными магистралями" для диффузии.

• Границы зёрен: В поликристаллических материалах атомная структура на границах между отдельными кристаллами (зёренами) менее упорядочена и имеет больше свободного объёма. Поэтому диффузия по границам зёрен идёт на порядки быстрее, чем в объёме зерна. Ускорить общую диффузию можно путём измельчения зерна материала (например, с помощью специальной термомеханической обработки). Чем меньше размер зёрен, тем больше общая площадь их границ в единице объёма.
• Дислокации: Это линейные дефекты решётки. Область вокруг линии дислокации также является структурно несовершенной, что облегчает перемещение атомов (трубчатая диффузия). Плотность дислокаций можно значительно увеличить путём пластической деформации материала (например, ковкой или прокаткой при низких температурах).

3. Внешние воздействия
На скорость диффузии можно повлиять и другими внешними факторами.

• Облучение: Бомбардировка твёрдого тела высокоэнергетическими частицами (например, нейтронами в ядерном реакторе или ионами в ускорителе) приводит к образованию большого числа дополнительных дефектов — вакансий и междоузельных атомов. Это избыточное количество дефектов может значительно ускорить диффузионные процессы, что известно как радиационно-стимулированная диффузия.
• Механическое напряжение: Приложение высокого давления или создание градиентов напряжений может влиять на диффузию. Хотя всестороннее сжатие обычно замедляет процесс, неоднородные поля напряжений могут направлять и ускорять диффузионные потоки, что лежит в основе некоторых механизмов ползучести материалов при высоких температурах.

Ответ: Основными способами ускорения диффузии в твёрдых телах являются: повышение температуры, которое экспоненциально увеличивает скорость диффузии; увеличение плотности структурных дефектов (границ зёрен, дислокаций) путём измельчения зерна или пластической деформации; применение внешних воздействий, таких как облучение высокоэнергетическими частицами.