موضوع مقاله: ضریب انتشار شبکه | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # ضریب انتشار شبکه | مقدمه: در فیزیک ماده چگال، نفوذ شبکه‌ای (که نفوذ توده‌ای یا حجمی نیز نامیده می‌شود) به نفوذ اتمی در یک شبکه کریستالی اشاره دارد،P. | ## بخش 1: ضریب انتشار شبکه | در نفوذ شبکه‌ای بین‌نشینی، یک عامل نفوذی (مانند کربن در آلیاژ آهن)، بین ساختار شبکه یک عنصر کریستالی دیگر نفوذ می‌کند. در نفوذ شبکه‌ای جانشینی (به عنوان مثال خودنفوذی)، اتم فقط می‌تواند با تعویض مکان با اتم دیگر حرکت کند. نفوذ شبکه‌ای جانشینی اغلب به وجود جای خالی نقطه‌ای در سراسر شبکه کریستالی بستگی دارد. ذرات نفوذکننده از جای خالی نقطه‌ای به جای خالی نقطه‌ای دیگر با پرش سریع و اساساً تصادفی (نفوذ پرشی) مهاجرت می‌کنند. از آنجایی که فراوانی جای خالی نقطه‌ای مطابق با معادله آرنیوس افزایش می‌یابد، سرعت نفوذ حالت جامد کریستال با دما افزایش می‌یابد. برای یک اتم واحد در یک کریستال بدون نقص، حرکت را می‌توان با مدل " گام تصادفی " توصیف کرد. ضریب انتشار برای انتشار بینابینی یک اتم در مکانیسم بین‌نشینی با عبور از یک مکان بین‌نشینی به یکی از نزدیکترین مکان‌های بین‌نشینی همسایه‌اش، پخش می‌شود. حرکت اتم‌ها را می‌توان به عنوان جهش توصیف کرد و ضریب نفوذ بین‌نشینی به فرکانس جهش بستگی دارد. فرکانس جهش، ، توسط فرمول زیر داده می‌شود: که 𝑧 تعداد نزدیکترین مکان‌های بین‌نشینی همسایه است. آداتوم (صورتی)، که در سطح (۱) قرار دارد، وارد شبکه می‌شود و اتم‌های همسایه (۲) را مختل می‌کند و باعث می‌شود یکی از اتم‌های زیرلایه اصلی به عنوان یک آداتوم (سبز) (۳) ظاهر شود. | ## بخش 2: ضریب انتشار شبکه | ضریب انتشار را می‌توان به فرم معادله آرنیوس ساده کرد: که یک ثابت ماده مستقل از دما است. در مورد انتشار بینابینی، آنتالپی فعال‌سازی فقط به مانع انرژی فعال‌سازی برای حرکت اتم‌های بین‌نشینی از یک مکان به مکان دیگر وابسته است. ضریب نفوذ با دما به صورت نمایی با نرخی که توسط آنتالپی فعال‌سازی تعیین می‌شود، افزایش می‌یابد. ضریب نفوذ برای نفوذ جانشینی خود-انتشار سرعت خود-نفوذ را می‌توان به صورت تجربی با وارد کردن اتم‌های رادیواکتیو A (A*) به A خالص و اندازه‌گیری سرعت نفوذ در دماهای مختلف اندازه‌گیری کرد. اتم‌های A* و A تقریباً فرکانس‌های پرش یکسانی دارند زیرا از نظر شیمیایی یکسان هستند. ضریب نفوذ A* و A را می‌توان به فرکانس پرش مرتبط کرد و به صورت زیر بیان کرد: که ضریب انتشار اتم‌های رادیواکتیو A در A خالص است. یک اتم می‌تواند زمانی جهش موفقیت‌آمیزی داشته باشد که در نزدیکی آن جای خالی وجود داشته باشد و انرژی حرارتی کافی برای غلبه بر مانع انرژی مهاجرت داشته باشد. تعداد جهش‌های موفقی که یک اتم در یک ثانیه انجام می‌دهد، یا فرکانس پرش، را می‌توان به صورت زیر بیان کرد: که تعداد نزدیکترین همسایه‌ها است. ضریب نفوذ در تعادل ترمودینامیکی را می‌توان با رابطه زیر بیان کرد: و ، دادن: با جایگذاری ΔG = ΔH – TΔS داریم: ضریب انتشار را می‌توان به فرم معادله آرنیوس ساده کرد: که تقریباً یک مقدار ثابت است. در مقایسه با انتشار بین‌نشینی، انرژی فعال‌سازی برای خودنفوذی یک عبارت اضافی (ΔHv) دارد. | ## بخش 3: ضریب انتشار شبکه | از آنجایی که خودنفوذی نیاز به وجود جاهای خالی دارد که غلظت آنها به ΔHv بستگی دارد. انتشار جای خالی نفوذ یک جای خالی را می‌توان به عنوان پرش یک جای خالی به یک جایگاه اتم در نظر گرفت. این فرایند مشابه پرش یک اتم به یک جایگاه خالی است، اما بدون نیاز به در نظر گرفتن احتمال وجود جای خالی، زیرا یک جای خالی معمولاً همیشه توسط جایگاه‌های اتمی احاطه شده است که می‌تواند به آنها بپرد. یک جای خالی می‌تواند ضریب نفوذ خاص خود را داشته باشد که به صورت زیر بیان می‌شود: کجا فرکانس پرش یک جای خالی است. ضریب انتشار را می‌توان بر حسب آنتالپی مهاجرت نیز بیان کرد و آنتروپی مهاجرت از یک جای خالی، که مشابه مهاجرت یک اتم جانشینی است: مقایسه ضریب نفوذ بین نفوذ خودی و نفوذ جای خالی، نتایج زیر را ارائه می‌دهد: که در آن کسر جای خالی تعادلی در سیستمی با اجزای متعدد (مثلاً یک آلیاژ دوتایی)، اتم‌های حلال (A) و حل‌شونده (B) با سرعت یکسانی حرکت نخواهند کرد. ضریب نفوذ متقابل با معادله دارکن به صورت زیر تعریف می‌شود: که و به ترتیب کسرهای مقداری گونه‌های A و B هستند. کاربرد ضریب نفوذ شبکه‌ای در بسیاری از فرایندهای ترمودینامیکی و متالورژیکی نقشی اساسی ایفا می‌کند، زیرا میزان جابه‌جایی اتم‌ها درون شبکه بلوری را تعیین می‌نماید. این کمیت، یکی از پارامترهای کلیدی در تحلیل سینتیک تغییرات ریزساختاری از جمله بازبلوری، رشد دانه، ترمیم عیوب و پایداری فازهاست. | ## جمع‌بندی | در دماهای بالا، که تحرک شبکه‌ای اتم‌ها افزایش می‌یابد، ضریب نفوذ شبکه‌ای رفتار مواد را در برابر تغییر شکل، خزش و پایداری مکانیکی تعیین می‌کند و به همین دلیل در طراحی آلیاژها و انتخاب مواد برای کاربردهای دما-بالا اهمیت ویژه دارد.