ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Правила движения для атомов из "Репортаж из мира сплавов (Библ, Квант 71) " По своей натуре атомы — не домоседы, а путешественники. Лучше всего это заметно в газах, которые за счет теплового движения атомов быстро заполняют предоставленный в их распоряжение объем. Да и в жидкостях атомам явно не сидится на месте. В этом убеждают и опыты по броуновскому движению, и само свойство текучести жидких тел. [c.197] А вот твердые тела — статья особая. Здесь таинство атомного движения хорошо законспирировано. Мы, правда, уже знаем, что в узлах кристаллической решетки атомы беспрестанно колеблются. Но вот способны ли они на более серьезные вояжи, без специальных опытов не ответишь. [c.197] В нашей книге эти темы уже звучали. И этрусская техника гранулирования, и распад твердых растворов невозможны без перемеш,ений атомов на достаточно далекие (по атомным масштабам, разумеется) расстояния. А впервые прямое подтверждение атомного движения в твердых телах получил в 1896 году Робертс-Остен, об опыте которого мы рассказывали в гл. 2. [c.197] Аналогичных опытов можно поставить сколько угодно и с газами, и с жидкостями, и с твердыми телами. Все они позволяют убедиться в путешествиях атомов по наблюдениям за диффузией — проникновению одного вещ,ества в другое ). [c.197] Опыты по диффузии и самодиффузии показывают, что атомы перемещаются во всех агрегатных состояниях вещества. Но в газах — быстрее, в жидкостях — медленнее, а в твердых телах — совсем медленно. Кроме того, общей закономерностью является активизация диффузии при повышении температуры. И это естественно ведь температура неразрывно связана с движением атомов. [c.198] Первый и основной закон диффузии установлен в середине прошлого века швейцарским физиком А. Фи-ком. Часто его так и называют — закон Фика. Это простое, чисто эмпирическое правило. [c.199] Наглядность этого закона станет особенно очевидной, если вы представите себе скатывающегося с горы лыжника. Его скорость тем больше, чем круче склон. Это же утверждение составляет суть закона Фика, где роль перепада высот играет перепад концентраций. [c.199] Диффузионные эксперименты показывают, что закон Фика хорошо выполняется в большинстве газообразных, жидких и твердых веществ. При этом коэффициент диффузии D обычно находят сравнением измеренного количества продиффундировавшего вещества с выражением Фика ). [c.200] При этом следует, конечно, учитывать, что зависимость концентрации В в А от расстояния до поверхности плавная. Концентрация на поверхности, где имеется контакт с чистым В, максимально возможная при данных условиях, т. е. равна пределу растворимости Со- Дальше она постепенно понижается до нуля. Это связано с тем, что за одно и то же время разные атомы успевают продиффундировать на разную глубину. Величина VDt выражает среднюю глубину проникновения атомов. [c.201] Однако в условиях плотной упаковки кристалла им это сделать немногим проще, чем двум локомотивам разминуться на одном рельсовом пути. Если говорить более строго, то такое в принципе возможно. Но обмен атомов местами вызовет большие локальные искажения кристалла и соответственно резко возрастет энергия. Поэтому ответ такой в принципе возможно, но маловероятно. [c.202] Более правдоподобной выглядит иная схема. Предположим, соседом атома оказалась вакансия. Тогда он может перепрыгнуть в вакантный узел. Для этого, правда, тоже придется раздвинуть соседей. Но отнюдь не так сильно, как при обмене атомов местами. [c.202] Верные обещанию рассказать о диффузии по возможности кратко, мы не будем доказывать реальность вакансионного механизма. Но просим поверить на слово существуют эксперименты, надежно демонстрирующие, что, как правило, вакансионный механизм диффузии доминирует в кристаллах. Именно поэтому открытые пами с помощью свободной энергии вакансии играют столь важную роль в жизни кристалла. [c.202] время от времени атомы перепрыгивают в соседние вакантные узлы. Именно в соседние, так как трудно себе представить, что в плотноупакованном кристалле атомы играют в чехарду. В среднем атом за единицу времени делает v скачков. Каждый до ближайшего соседа — на расстояние /. В какую сторону Л вот это до последнего момента никому неизвестно. С какой стороны подойдет вакансия, туда и прыгнет атом. Про такую ситуацию говорят, что атомы случайно блуждают по решетке. [c.202] Теперь попытаемся понять характер температурной зависимости коэффициента диффузии. Для этого вновь обратимся к формуле случайных блужданий. Длина прыжка I от температуры почти не зависит, а вот частота прыжков v зависит и очень сильно. [c.204] Частота прыжка пропорциональна его вероятности. Это понятно. Ну, а реализация прыжка возможна прп одновременном выполнении двух условий. Во-первых, к атому должна подойти вакансия, вероятность чего пропорциональна концентрации вакансий С = = ехр(—А во-вторых, для прыжка необходимо слегка раздвинуть соседей, что сопряжено с увеличением энергии Af. Вероятность такого процесса, как мы знаем, пропорциональна ехр(—AEjkT). [c.204] При температуре плавления атом совершает 22 миллиона прыжков в секунду, а при комнатной температуре— один прыжок за 10 лет. Попросту говоря, сидит (а точнее, колеблется) на месте. Это типичные цифры (хотя бывают и исключения). [c.205] Теперь понятно, что делает закалка. Она в буквальном смысле слова останавливает атомы. Не успел перестроиться при высоких температурах — замри и жди следующего нагрева. [c.205] И в заключение, чтобы не возвращаться больше к диффузии, два слова про миграцию атомов внедрения. Они в вакансиях для перемещений не нуждаются — гуляют (а точнее, прыгают) непосредственно по междоузлиям. Но при прыжке атомы решетки раздвигаются и это сопровождается увеличением энергии. Поэтому температурная зависимость коэффициента диффузии все равно остается экспоненциальной. Но само его значение, как правило, намного выше (не требуется вакансий) Примеси внедрения перемещаются по кристаллу намного быстрее. [c.205] Вернуться к основной статье