У шкільній програмі в курсі фізики (приблизно в сьомому класі) школярі дізнаються, що дифузія – це процес, який являє собою взаємне проникнення частинок однієї речовини між частинками іншої речовини, у результаті чого відбувається вирівнювання концентрацій у всьому його обсязі. Це досить складне для розуміння визначення. Щоб розібратися, що таке проста дифузія, закон дифузії, її рівняння, необхідно докладно вивчити матеріали з цих питань. Проте якщо людині достатньо загального уявлення, то наведені нижче дані допоможуть отримати елементарні знання.
Фізичне явище – що це
У зв’язку з тим, що багато людей плутають або ж зовсім не знають, що таке фізичне явище і чим воно відрізняється від хімічного, а також до якого виду явищ відноситься дифузія, необхідно розібратися, що ж таке фізичне явище. Отже, як всім відомо, фізика є самостійною наукою, що відноситься до області природознавства, яка займається вивченням загальних природних законів про структуру і рух матерії, а також вивчає саму матерію. Відповідно, фізичне явище – це таке явище, в результаті якого утворюється нових речовин, а лише відбувається зміна будови речовини. Відмінність фізичного явища від хімічного полягає як раз в тому, що в результаті не виходить нових речовин. Таким чином, дифузія – це фізичне явище.
Визначення терміна дифузія
Як відомо, формулювань того чи іншого поняття може бути багато, проте загальний зміст не повинен змінюватися. І явище дифузії не є винятком. Узагальнене визначення має наступний вигляд: дифузія – це фізичне явище, яке являє собою взаємне проникнення частинок (молекул, атомів) двох і більше речовин до рівномірного розподілу по всьому займаного цими речовинами обсягом. В результаті дифузії не утворюється нових речовин, тому вона і є саме фізичним явищем. Простою називають дифузію, в результаті якої відбувається переміщення частинок з області найбільшої концентрації в область меншою концентрацією, яке обумовлене тепловим (хаотичним, броунівським) рухом частинок. Іншими словами, дифузія представляє собою процес перемішування частинок різних речовин, причому частинки при цьому розподіляються рівномірно по всьому об’єму. Це дуже спрощене визначення, зате найбільш зрозуміле.
Види дифузії
Дифузію можна зафіксувати як при спостереженні за газоподібними і рідкими речовинами, так і за твердими. Тому вона включає кілька видів:
- Квантова дифузія – це процес дифузії частинок або точкових дефектів (локальних порушень кристалічної решітки речовини), який здійснюється в твердих тілах. Локальні порушення – це порушення в певній точці кристалічної решітки.
- Колоїдна – дифузія, яка відбувається у всьому об’ємі колоїдної системи. Колоїдна система являє собою середовище, в якому розподілені частинки, бульбашки, краплі інший, що відрізняється за агрегатним станом і складом від першої, середовища. Такі системи, а також протікаючі в них процеси, детально вивчаються в курсі колоїдної хімії.
- Конвективне перенесення часток однієї речовини макрочастицами середовища. Особливий розділ фізики, званий гідродинаміки, займається вивченням руху суцільних середовищ. Звідти можна почерпнути знання про стани потоку.
- Турбулентна дифузія – це процес перенесення однієї речовини в іншому, обумовлений турбулентним рухом другого речовини (характерна для газів і рідин).
Підтверджується вислів, що дифузія може протікати як у газах і рідинах, так і в твердих тілах.
Що таке закон Фіка?
Німецьким вченим-фізиком Фиком, був виведений закон, що показує залежність щільності потоку частинок через одиничну площадку від зміни концентрації речовини на одиницю довжини. Цей закон є законом дифузії. Закон можна сформулювати наступним чином: потік частинок, який спрямований по осі, пропорційна похідною від числа частинок змінної, що відкладається вздовж тієї осі, щодо якої визначається напрямок потоку частинок. Іншими словами, рухається в напрямку осі потік частинок пропорційна похідною від числа частинок змінної, яка відкладається вздовж тієї ж осі, що і потік. Закон Фіка дозволяє описати процес переносу речовини в часі і просторі.
Рівняння дифузії
Коли в речовині присутні потоки, відбувається перерозподіл самої речовини в просторі. У зв’язку з цим існує кілька рівнянь, які описують цей процес перерозподілу з макроскопічної точки зору. Рівняння дифузії є диференціальним. Воно випливає із загального рівняння переносу речовини, яке також називають рівнянням безперервності. При наявності дифузії використовується закон Фіка, який описаний вище. Рівняння має наступний вигляд:
dn/dt=(d/dx)*(D*(dn/dx)+q.
Дифузійні методи
Метод дифузії, точніше метод її здійснення в твердих матеріалах, широко використовується в останній час. Це пов’язано з перевагами методу, одним з яких є простота використовуваного устаткування і самого процесу. Сутність методу дифузії з твердих джерел полягає в нанесенні легованих одним або декількома елементами плівок на напівпровідники. Існує ще кілька методів здійснення дифузії, крім методу твердих джерел:
- в замкнутому об’ємі (ампульний спосіб). Мінімальна токсичність є перевагою методу, однак його дорожнеча, обумовлена одноразові ампули, є істотним недоліком;
- в незамкнутому обсязі (термічна дифузія). Виключаються можливості використання багатьох елементів з-за високих температур, а також бічна дифузія є великими недоліками даного методу;
- у частково-замкнутому об’ємі (бокс-метод). Це проміжний метод між двома описаними вище.
Для того, щоб більше дізнатися про методи та особливості проведення дифузії, необхідно вивчити додаткову літературу, присвячену конкретно цих питань.
