الانتشار الذري

في الفيزياء الكيميائية ، يُعرف الانتشار الذري بأنه عملية انتشار تحدث نتيجة الحركة العشوائية للذرات في مادة صلبة بفعل الحرارة ، مما يؤدي إلى انتقال صافٍ للذرات. على سبيل المثال، يمكن لذرات الهيليوم داخل بالون أن تنتشر عبر جدار البالون وتخرج منه، مما يؤدي إلى انكماشه تدريجيًا. أما جزيئات الهواء الأخرى (مثل الأكسجين والنيتروجين ) فلها قدرة أقل على الحركة، وبالتالي تنتشر ببطء أكبر عبر جدار البالون. يوجد تدرج في التركيز داخل جدار البالون، لأن البالون كان مملوءًا بالهيليوم في البداية، وبالتالي يوجد تركيز عالٍ من الهيليوم في الداخل، بينما يوجد تركيز منخفض نسبيًا في الخارج (فالهيليوم ليس مكونًا رئيسيًا للهواء ) . ويتحكم في معدل الانتقال كل من معامل الانتشار وتدرج التركيز.

في الحالة الصلبة البلورية، يحدث الانتشار داخل الشبكة البلورية إما بآليات بينية أو استبدالية، ويُشار إليه باسم الانتشار الشبكي . ^{[ 1 ]} في الانتشار الشبكي البيني، ينتشر عنصر ما (مثل الكربون في سبيكة حديدية) بين ذرات عنصر بلوري آخر. أما في الانتشار الشبكي الاستبدالي ( الانتشار الذاتي على سبيل المثال)، فلا يمكن للذرة أن تتحرك إلا باستبدال ذرة أخرى بمكانها. غالبًا ما يعتمد الانتشار الشبكي الاستبدالي على توافر الشواغر النقطية في جميع أنحاء الشبكة البلورية. تنتقل الجسيمات المنتشرة من شاغر نقطي إلى آخر عبر قفزات سريعة وعشوائية ( الانتشار القفزي ).

بما أن انتشار الفراغات النقطية يزداد وفقًا لمعادلة أرهينيوس ، فإن معدل انتشار الحالة الصلبة البلورية يزداد مع درجة الحرارة.

بالنسبة لذرة واحدة في بلورة خالية من العيوب، يمكن وصف الحركة بنموذج " المشي العشوائي ". في ثلاثة أبعاد، يمكن إثبات أنه بعد${\displaystyle n}$قفزات طويلة${\displaystyle \alpha }$ستكون الذرة قد تحركت، في المتوسط، مسافة قدرها:

${\displaystyle r=\alpha {\sqrt {n}}.}$

إذا كان تردد القفز معطى بواسطة${\displaystyle T}$(بالقفزات في الثانية) ويُعطى الزمن بواسطة${\displaystyle t}$، ثم${\displaystyle r}$يتناسب مع الجذر التربيعي لـ${\displaystyle Tt}$:

${\displaystyle r\sim {\sqrt {Tt}}.}$

قد تتضمن عملية الانتشار في المواد متعددة البلورات آليات انتشار ذات مسار مختصر. فعلى سبيل المثال، توجد مساحات مفتوحة أكبر على طول حدود الحبيبات وبعض العيوب البلورية كالانخلاعات، مما يسمح بانخفاض طاقة التنشيط اللازمة للانتشار. ولذلك، غالبًا ما يُنمذج الانتشار الذري في المواد متعددة البلورات باستخدام معامل انتشار فعال ، وهو عبارة عن مزيج من معاملات انتشار الشبكة البلورية ومعاملات انتشار حدود الحبيبات . وبشكل عام، يحدث الانتشار السطحي أسرع بكثير من انتشار حدود الحبيبات ، ويحدث انتشار حدود الحبيبات أسرع بكثير من انتشار الشبكة البلورية . ^{[ 2 ]}

• تأثير كيركيندال
• معامل الانتشار الكتلي

• الانتشار الكلاسيكي والانتشار على المستوى النانوي (مع الرسوم التوضيحية والرسوم المتحركة)