نفوذ اتمی

یون های ⁺H در یک شبکه ^-2 O از یخ فوق یونی پخش می شوند

نفوذ اتمی یک فرآیند انتشار است که در آن، حرکت حرارتی تصادفی اتم‌ ها در یک جامد منجر به انتقال خالص اتم‌ها می شود.

به طور کلی نفوذ به دو دسته‌ی نفوذ در سیال (مایعات و گازها) و نفوذ در جامدات تقسیم می‌ شود.

نفوذ در سیال، حاصل حرکت رندوم و براونی است.

به عنوان مثال، اتم های هلیم درون یک بالون می توانند از دیواره بالون پخش شده و خارج شوند و در نتیجه بادکنک به آرامی تخلیه شود. سایر مولکول های هوا (مانند اکسیژن و نیتروژن ) جنب و جوش کم تری دارند در نتیجه، آهسته تر در دیواره بالون پخش می شوند. در دیواره بالون یک گرادیان غلظت وجود دارد، زیرا بالون در ابتدا با هلیم پر شده بود، بنابراین مقدار زیادی هلیم در داخل بالون وجود دارد، اما هلیم نسبتا کمی در خارج بالون وجود دارد (هلیم جزء اصلی هوا نیست ). نرخ انتقال توسط نفوذ و گرادیان غلظت کنترل می شود.

ترکیب آلومینیوم و نیکل، مثال خوبی برای نفوذ در جامدات می باشد؛ چرا که روی سطح آن، حلقه های مختلفی تشکیل می شود و این حلقه ها بزرگ تر می شوند. دلیل این رویداد این است که اتم ها به سطح می آیند و در جای سابق آن ها، Vacancy شکل می گیرد.

در جامدات

در جامدات، دو نوع نفوذ داریم که یکی خود نفوذی و دیگری، نفوذ بینابینی است.

در خود نفوذی، اتم های یک عنصر در شبکه ی آن عنصر جا به جا می شوند.

در نفوذ بینابینی، اتم های یک عنصر در داخل اتم های عنصری دیگر از یک شبکه قرار می گیرد. در واقع در نفوذ بینابینی، اتم های یک عنصر نسبت به عنصری دیگر جا به جا می شوند.

نفوذ اتمی در یک شبکه مکعبی توجه داشته باشید که اتم ها اغلب جلوی یکدیگر را برای حرکت به مکان های مجاور می گیرند. طبق قانون فیک ، شار خالص (یا حرکت اتم ها) همیشه در جهت مخالف گرادیان غلظت است .

تهی جایی

در جامد کریستالی، نفوذ در داخل شبکه کریستالی توسط مکانیزم های بینابینی یا جانشینی رخ می دهد و به آن نفوذ شبکه می گویند. در نفوذ شبکه بینابینی، یک پخش کننده (مانند C در آلیاژ آهن)، در بین ساختار شبکه یک عنصر کریستالی دیگر پخش می شود. در نفوذ شبکه جانشینی ( به عنوان مثال، خود نفوذی )، اتم تنها می تواند با جایگزینی مکان با اتم دیگری حرکت کند. نفوذ شبکه جانشینی اغلب مشروط به در دسترس بودن نقاط خالی در سراسر شبکه کریستالی است. ذرات پراکنده با پرش سریع و اساساً تصادفی به اطراف ( انتشار پرش ) از جای خالی به نقطه خالی مهاجرت می کنند.

به عاملی که از نفوذ اتم ممانعت می کند، سد انرژی می گویند.

سد انرژی در مکانیزم بینابینی از مکانیزم تهی جایی، کم تر است بنابراین سرعت نفوذ در آن از مکانیزم تهی جایی بیش تر است.

کاربردهای نفوذ اتمی:

1- سخت سازی آهن با استفاده از نفوذ کربن در آن و افزایش درصد کربن در آهن: سخت سازی فولاد به طور مستقیم و با افزایش درصد کربن در آلیاژ آن، هم کار دشواری است و هم موجب ترد شدن فولاد می شود. بنابراین با استفاده از نفوذ کربن می توانیم آهن را به طور بهینه ای سخت کنیم.

2- مثبت و منفی کردن نیمه رسانا با استفاده از نفوذ اتم: از آن جا که نیمه رساناها از جنس سیلیکن(سیلیسیم) هستند، می توان با نفوذ فسفر یا آلومینیوم در سیلیسیم، برخی از قسمت های نیمه رسانا را منفی یا مثبت کرد.

روابط:

نفوذ فرایند وابسته به زمان است.

سرعت نفوذ (شار) را به شکل زیر بررسی می کنیم:

$$J={\frac {M}{A\times t}}$$

$$J={\frac {M}{A*t}}$$

در فرمول فوق، M جرم یا مقدار مول ماده نفوذکننده، A سطح نفوذ و t زمان نفوذ است.

یک اتم جهش های متعددی را به عمل می آورد که ممکن است منجر به قرار گرفتن در یک حفره شود. برای یک اتم در یک کریستال بدون نقص، حرکت را می توان با مدل "راه رفتن تصادفی" توصیف کرد. در 3 بعدی می توان نشان داد که بعد از $n$ n جهش با طول α، اتم به طور میانگین، r را می پیماید:

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

با کمک قانون اول فیک، شار را می توان برحسب غلظت و فاصله نیز به دست آورد:

$$J=-D{\operatorname {d} \!C \over \operatorname {d} \!X}$$

در رابطه فوق،ِ D ضریب نفوذ، C غلظت و X فاصله و موقعیت مکانی می باشد.

$$J=-D{dC \over dX}$$

قانون دوم فیک که برخلاف قانون اول، شرط زمان را لحاظ می کند، به شکل زیر است:

$${\partial C \over \partial t}=D{\partial ^{2}C \over \partial X^{2}}$$

در رابطه فوق مانند رابطه ی قبلی، D ضریب نفوذ، C غلظت و X فاصله و موقعیت مکانی می باشد. t نیز زمان می باشد.

مقدار فاصله ای که اتم می پیماید با مجذور حاصل ضرب فرکانس جهش در زمان، تناسب دارد. در رابطه ی زیر، T فرکانس جهش و t زمان است.

فرکانس جهش به معنای تعداد جهش در واحد زمان می باشد و واحد آن، جهش بر ثانیه است.

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

ضریب نفوذ را می توان برای مواد مختلف از رابطه ی زیر محاسبه کرد:

$$D=D_{0}\exp({\frac {-Q_{d}}{R\times T}})$$

در رابطه ی فوق، D₀ ثابت اکسپوننشیال، Q_d انرژی اکتیواسیون، R ثابت گازها و T دمای مطلق می باشد.

R برابر با 8.314 ژول بر مول در کلوین است.

به تفاوت انرژی آزاد بین وضعیت نرمال و فعال، انرژی اکتیواسیون می گویند.

عوامل موثر در نفوذ:

نفوذ در مواد پلی کریستالی می تواند مکانیسم های نفوذ اتصال کوتاه را شامل شود. برای مثال، در امتداد مرزدانه ها و برخی عیوب کریستالی مانند نابجایی که در اثر تغییر شکل کریستال یا در هنگام انجماد و یا عملیات حرارتی به­ وجود می آید، فضای باز بیشتری وجود دارد؛ در نتیجه انرژی اکتیواسیون کمتری برای نفوذ فراهم می شود. بنابراین، نفوذ اتمی در مواد پلی کریستالی اغلب با استفاده از یک ضریب نفوذ موثر ، که ترکیبی از شبکه و ضرایب نفوذ مرز دانه است ، مدل‌سازی می‌شود. به طور کلی، نفوذ سطحی بسیار سریع تر از نفوذ مرز دانه و نفوذ مرز دانه بسیار سریع تر از نفوذ شبکه رخ می دهد.

در زمان یکسان، بین نشینی، ضریب نفوذ بیش تری دارد چرا که اتم در حفرات حرکت می کند و نیاز به جابجایی حفره نیست. به طور مثال، ضریب نفوذ کربن در آهن از آهن در آهن بیش تر است.

هرچه ساختار، تراکم کم تری داشته باشد، فاصله ها بیش تر و فضای باز بیش تر است؛ بنابراین ضریب نفوذ بیش تر است.

هرچه دما افزایش یابد، ضریب نفوذ نیز افزایش خواهد یافت و بالعکس.

همچنین ببینید

• اثر کرکندال
• قوانین نفوذ فیک

 

لینک های خارجی

• انتشار کلاسیک و نانومقیاس (با شکل و انیمیشن)