原子擴散

在化學物理學中，原子擴散是一種擴散過程，其中原子在固體中的隨機、熱激活運動導致原子的淨遷移。例如，氦原子在氣球內部可以穿過氣球壁擴散並逸出，導致氣球緩慢放氣。其他空氣分子（例如氧、氮）具有較低的遷移率，因此通過氣球壁的擴散速度較慢。氣球壁上存在濃度梯度，因為氣球最初填充了氦氣，因此內部有大量的氦氣，但外部的氦氣相對較少（氦氣不是空氣的主要成分）。遷移速率由擴散率和濃度梯度決定。

H⁺離子在超離子冰的O^2-晶格中擴散

晶體中

原子在四配位晶格上的擴散。請注意，原子經常會阻擋彼此移動到相鄰位置。根據菲克定律，淨通量（或原子的移動）總是與濃度梯度方向相反。

在晶體固態中，晶格內的擴散通過間隙或置換機製發生，被稱為晶格擴散（英語：Lattice diffusion coefficient）。^[1]在間隙晶格擴散中，擴散物（例如鐵合金中的C）將在另一個晶體元素的晶格結構之間擴散。在置換晶格擴散（例如自擴散）中，原子只能通過與另一個原子交換位置來移動。置換晶格擴散通常取決於整個晶體晶格中點空位的可用性。擴散粒子通過快速、基本上隨機的跳躍遷移（跳躍擴散（英語：Jump diffusion）），從一個點空位遷移到另一個點空位。

由於點空位的普遍性根據阿倫尼烏斯方程增加，晶體固態擴散的速率隨溫度升高而增加。

對於無缺陷晶體中的單個原子，其運動可以用「隨機漫步」模型來描述。在三維空間中，可以證明在長度為${\displaystyle \alpha }$的${\displaystyle n}$次跳躍之後，原子平均移動的距離為：

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

如果跳躍頻率為T（單位：次/秒），時間為t，則r與${\displaystyle Tt}$的平方根成正比：

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

多晶材料中的擴散可能涉及短路擴散機制。例如，沿著晶界和某些晶體缺陷（如位錯）有更多的開放空間，從而使擴散的活化能更低。因此，多晶材料中的原子擴散通常使用有效擴散係數來建模，它是晶格和晶界擴散係數的組合。通常，表面擴散比晶界擴散快得多，而晶界擴散比晶格擴散（英語：Lattice diffusion coefficient）快得多。^[2]

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