10
Диффузия — весма распространенное в природе является, имеющее огромное практическое значение. Мы помещаем здесь статью Б. Куллити, подготовленную издательством «Наука» для очередного выпуска сборника «Над чем думают физики». Статья опубликована в журнале Scientific American. Перевод выполнен В. К. Федяниным.
Советские учены внесли значительный вклад в изучение диффузии. Желаяшие более детально ознакомиться с этим явлением, могут найти много интересных сведений в научно-популярной книге Я. Е. Гегузина «Очерки о диффузии в кристалах», выпущенной издательством «Наука» в 1970 году.
Запах духов, как известно, осущества на довольно большом расстоянии. Объясняется это тем, что пары духов весма легко диффундируют в воздухе. Капли жидкого красителя в воде легко диффундируют по всему сосуду. Намного труднее наблюдается диффузию в твердом теле. По этой причине изучение диффузии в твердых телах стало одним из наиболее интересных исследований в физике наших дней.
Как и во многих других областях человека уменьшает действности, в данном случае уменьшает предшествование знанию. Столетиями рабочие свариали металлы и получали сталь нагреванным твердого железа в атмосфере углерода, не имея ни малейшего представления о произходящих при этом диффузionных процесах. Лишь в 1896 году началось научное изучение проблемы.
Англійский металлург сэр Вильям Робертс-Aустин в простом эксперименте измерил диффузию зо-лота в свинце. Он направил тонкий диск золота на конец цилиндра из чистого свинца длиной в дюйм *, помещил этот цилиндр в печь, где поддерживалась температура порядка 200°С, и держал его в печи 10 дней. Затем он разрезал цилиндр на тонкие диски и измерил количество золота, которое продиффундировал в каждый среде свинца. Оказалось, что к «чистому» концу через весь цилиндр прошло в полне измеримое количество золота; в противоположном направлении в глубь золотого диска продиффундировал свинц (рис. 1). Робертс-Aустин обнаружил, что нагретий металл диффундирует в другой, когда они тесно прижаты друг к другу.
С точки зрения atomного строения вещества проницаемость твердых тел не является страной. В настоящее время мы хорошо представляем себе, что даже наиболее плотное твердое тело — всего-навсего довольно слабо
*) Дюйм≈2,5 см.
11
связанный набор атомов. В кристаллах, образующих металл, атомы располагаются в фиксированной решетке в определенных положениях, из которых их довольно трудно сместить.
Однако идеальных и полностью застроенных кристаллческих решеток не существует. В них всегда имеется некоторое количество вакансии, или «дырок», в которых могут «перерыгнуть» диффундирующие атомы. Перерыгнут в некую вакансию, атом оставляет после себя новую ваканцию.
В эту вакансию может перейти соседний atom; intact, путем непрерывных перемещений атомов в решетке atom может пройти через кристалл (рис.2).
Что же заставляет atom покидать свое место в решетке и «пересканивать» в ваканцию? Дело в том, что на самом деле атомы в решетках не находятся в строю фиксированных положениях. В результате теплового движения атомы непрерывно колблются относительно некого среднего или, точнее, upsредненного по различным возможным местам их нахождения положения. Амплитуда этих колбаний может заменно меняться от атома к атому и во времяни. Время от времени atom настолько далеко от своего положения равновесия, что может перескочить в соседнее ваканное место. Тенденция к этому, безусловно, резко возрастает, если мы подогреваем тело, заставляя тем самым атомы совершать более сильные колбания. Таким образом, скорость диффузии очень быстро возрастает с повышением температуры. Например, цинк диффундирует в медь при 300° С почти в 100 миллионов раз быстрее, чем при комнатной температуре.
В эксперименте Робертса-Aустина атомы золота при 200° С колбалис достаются энергично, чтобы начать перескакивать в вакансии решетки (то же имею место и для атомов свинца). В конце концов, если бы эксперимент проводился достаются долго, атомы золота равномерно распределялись бы по всему свинцовому цилиндру. Можно проводить простую анализю. Если в коробку с белыми шариками положить несколько черных шариков и коробку достаются долго вструхивать, то черные шарики оказываются равномерно распределями среди белых.
Рис. 1. Рисунок посягет первые диффузные опыты Робертса-Aустина. Золото было наложено на чистый свинец (серый цилиндр слева) и образец подогревался. Справа изображен этот же цилиндр после того, как произшла диффузия золота в свинец и свинец в золоте. Этот цилиндр был разрезан на тонкие диски для измерения количества содержащого в них продукфундиравшего золота. Кривая, представлена на графике справа, показывает изменение концентрации золота в зависимости от расстояния от верхнего края правого цилиндра.
12
Рис. 2. В atomных плоскостях кристалла возможно наличие вакантийных мест. Этот рисунок использован каким образом золото (желтый кружок) может диффундировать в кристалле свинца. Переход atoma золота в положение, изобразенное на правом нижнем рисунке, возможно при наличии всего лишь одной вакансии в решетке свинца.
Дифузия atomов в чистом металле (так называемая «самодифузия») может быть изменена с использованием незначительной доли радиоактивных atomов этого элемента. Скажем, для того чтобы изменить скорость самодифузии в меди, надо электроносадить небольшое количество радиоактивного изотопа меди на конец цилиндра из обычной меди и нагреть этот цилиндр до некоторой определенной температуры. После того как пройдет достаточно времени, чтобы могла произойти дифузия, образец нарезается тонкими пластинками и с помощью счетчика Гейгера изменяется радиоактивность каждого последовательного среда. Эти данные позволяют подсчитать скорость дифузии.
Metалл может диффундировать в другой металл лишь при наличии вакансии в кристаллеческих решетках, поскольку atomы даже двух различных металлов имеют размеры примерного одного и того же порядка.
Однако atomы неметаллического элемента, размеры которых много меньше, чем размеры atomов металла, могут виснуть между atomами в неметаллическом кристалле. При этом дифузия не зависит от вакансии, следовательно, происходит намного быстрее. Однако из наиболее важных примеров такого случая может служить дифузия углерода в железо.
В своей направственной форме стать является сплавом углерода и железа. Свойства стали меняются в зависимости от содержания в сплаве углерода. Сталь с небольшим содержанием углерода (скажем, порядка одной четверти процента) не очень прочна и хорошо куется. Повышение содержания углерода делает стать более прочной, но более хрупкой. Такая деталь машинны, как передачаный механизм, должна обладать твердой поверхностью, чтобы сопротивляться изнocy, и быть достаточно упругой в своих внутренних частях,
13
Чтобы не сломаться при внешних ударах. Эти свойства приобретаются в процессе, называемом поверхностью закалкой. Кусок металла разогревается и выдерживает в газе, богатом углеродом, например в метане. Атомы углерода из газа медленно диффундируют в сталь (рис. 3). Через несколько часов они пропикают на глубину порядка одной двенадцатой дюйма. Поверхность, или «оболочка», этого куска стали после такой обработки содержит около 1,2% углерода, тогда как внутренняя его часть содержит всего лишь четвертуо часть процента (рис. 4).
Знание процессов, процессовших при диффузии atomов в металл, может помочь нам при изучении внутреннего строения металла. Вообще говоря, кусок металла состоит из маленьких кристаллов, или «зерен». Внутренняя структура отделного зерна в высшей степени регуляра — она представляет собой почти идеально решетку с некоторым числом вакансии или других незначительных отклонений от идеальности. Но в совокупности зерна не составляют упорядоченной структуры. Их взаимное расположение совершено случайно. Очень редко одно зерно подгоняется своей гранью к другому так, чтобы регулярове расположение
атомов в нем было как бы продолжением расположения atomов другого зерна. Obчное этих зeren образуют некий угол скока, называемый «углом расхождения». Атомы, располагающиеся в програмной области между зернами, приятываются обомми кристалами и в конце концов попадают внутри одного из них. В результате в этой области создается большая разоряachment atomов, чем в зернах. Диффундирующие atoms намного быстрее проходят через такие программы области, чем через регуляруную решетку самого зерна. Хорошо известно, что atoms металла диффундируют намного быстрее в мелкоэрнистом металле, который весь буквально изрешен границами зерен, чем в металле, построенном из больших кристаллов.
М. Ахтер и Р. Смолуховский поставили опыт с целью выяснения влияния угла расхождения между зернами на скорость диффузии. Они приготовили цилиндр из меди, состоящий из больших нитевидных кристаллов, располагающихся таким образом, что плоскости решеток составляли нитевые углы между собой. К концу медного образца был приварен сплав меди с сербром и все это было нагрето до температуры 675° С. Через 10 дней приготовили
Рис. 3. Диффузия углерода в железе не зависит от наличия вакансии. Атомы углерода (черные кружки) достаточно малы, чтобы располагается между atomами железа (голубые кружки).
14
Рис. 4. Поверхностное закаленная сталь возникает в результате специфической диффузии в нее атомов углерода. В средней части рисунка приведена микрофотография, или структуризация распределение углерода в куске стали, поверхность которого находится в контакте с углеводородом. Верхняя кривая дает процентное содержание углерода в зависимости от расстояния до поверхности куска стали. Нижняя кривая характеризует проность стали в различных частях куска.
Рис. 4. Поверхностное закаленная сталь возникает в результате специфической диффузии в нее атомов углерода. В средней части рисунка приведена микрофотография, или структуризация распределение углерода в куске стали, поверхность которого находится в контакте с углеводородом. Верхняя кривая дает процентное содержание углерода в зависимости от расстояния до поверхности куска стали. Нижняя кривая характеризует проность стали в различных частях куска.