原子扩散

在化学物理学中，原子扩散是一种扩散过程，其中原子在固体中的随机、热激活运动导致原子的净迁移。例如，氦原子在气球内部可以穿过气球壁扩散并逸出，导致气球缓慢放气。其他空气分子（例如氧、氮）具有较低的迁移率，因此通过气球壁的扩散速度较慢。气球壁上存在浓度梯度，因为气球最初填充了氦气，因此内部有大量的氦气，但外部的氦气相对较少（氦气不是空气的主要成分）。迁移速率由扩散率和浓度梯度决定。

H⁺离子在超离子冰的O^2-晶格中扩散

晶体中

原子在四配位晶格上的扩散。请注意，原子经常会阻挡彼此移动到相邻位置。根据菲克定律，净通量（或原子的移动）总是与浓度梯度方向相反。

在晶体固态中，晶格内的扩散通过间隙或置换机制发生，被称为晶格扩散（英语：Lattice diffusion coefficient）。^[1]在间隙晶格扩散中，扩散物（例如铁合金中的C）将在另一个晶体元素的晶格结构之间扩散。在置换晶格扩散（例如自扩散）中，原子只能通过与另一个原子交换位置来移动。置换晶格扩散通常取决于整个晶体晶格中点空位的可用性。扩散粒子通过快速、基本上随机的跳跃迁移（跳跃扩散（英语：Jump diffusion）），从一个点空位迁移到另一个点空位。

由于点空位的普遍性根据阿伦尼乌斯方程增加，晶体固态扩散的速率随温度升高而增加。

对于无缺陷晶体中的单个原子，其运动可以用“随机漫步”模型来描述。在三维空间中，可以证明在长度为${\displaystyle \alpha }$的${\displaystyle n}$次跳跃之后，原子平均移动的距离为：

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

如果跳跃频率为T（单位：次/秒），时间为t，则r与${\displaystyle Tt}$的平方根成正比：

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

多晶材料中的扩散可能涉及短路扩散机制。例如，沿着晶界和某些晶体缺陷（如位错）有更多的开放空间，从而使扩散的活化能更低。因此，多晶材料中的原子扩散通常使用有效扩散系数来建模，它是晶格和晶界扩散系数的组合。通常，表面扩散比晶界扩散快得多，而晶界扩散比晶格扩散（英语：Lattice diffusion coefficient）快得多。^[2]

相关

• 科肯德尔效应
• 质量扩散率