Difusioon

Termodifusioon

Termodifusioon on gaasisegu või lahuste komponentide ülekandumine, mis toimub temperatuuri gradiendi korral. Statsionaarsetes oludes, kus temperatuurierinevust hoitakse pidevana ja aine vool puudub, tasakaalustatakse termodifusioon keemilise difusiooniga, sest segus või lahuses tekkib kontsentratsiooni gradient.
Seda nähtust saab kasutada näiteks ühe elemendi isotoopide lahutamisel (näiteks uraani rikastamisel).
Kui lasta gaasil, mis sisaldab erinevaid isotoope, difundeeruda läbi poorse membraani, siis väiksema massiga isotoobid läbivad kiiremini membraani, sest nende kiirus on suurem. Protsessi korratakse mitmeid kordi (isegi tuhandeid) ja seetõttu on seadmed väga suured ja protsess aeglane. Kui lasta gaas või vedelik, mis sisaldab erinevaid isotoope, kambrisse, kus hoitakse üleval temperatuuri gradienti, siis koonduvad kergemad ja seega kiiremad isotoobid kambri soemasse ossa ja raskemad ning aeglasemad külmemasse ossa. Protsess on küll kiirem, kuid väga energiamahukas ja seega kallis.
Termodifusiooni difusioonitegur sõltub tugevasti molekulidevahelisest vastastikmõjust, seetõttu saab selle abil uurida molekulidevahelisi jõude.

Difusioon vedelikes

Difusiooni kineetiline teooria vedelikes on palju keerulisem, kui gaaside difusiooni puhul, sest vedelike molekulidevaheline keskmine kaugus on nendevahelise vastastikmõju raadiusega samas suurusjärgus. See tähendab, et molekulidevaheline vastastikmõju pole nii väike nagu gaasides. Vaba tee pikkuse mõiste ei oma vedelike puhul mõtet ja seetõttu ei ole võimalik luua piisavalt põhjendatud kineetilist võrrandit.
Difusiooni teooria vedelikes on arenenud kahel eri tasandil. Üks neist põhineb vedeliku ja tahkise struktuuri analoogial, teine, fundamentaalsem lähenemine, lähtub füüsika statistilistest printsiipidest ja lokaalse tasakaalu kujutelmast.
Esimesel juhul oletatakse vedelikul lokaalse korra olemasolu ja difusioon toimub molekuli "hüppamise" näol ühest tasakaalu asendist teise. Iga hüpe toimub juhul, kui molekul saab piisava hulga energiat, et katkestada seosed naabermolekulidega ja liikuda teiste molekulide vahel olevale uuele, energeetiliselt kasulikumale, vabale kohale (vakantsile). Keskmine vahemaa selliste hüpete juures ei ületa molekulidevahelist vahemaad.

Difusioon tahkistes

Tahkis omab kristallstruktuuri. Täiuslikus kristallis võnguvad osakesed tasakaaluasendi ümber ning üldjuhul ei saa lahkuda kristalli sõlmpunktist ja difusioon toimub tänu kristallstruktuuri defektidele.

Difusiooni mehhanism

Difusiooni toimumiseks tahkises on mitmeid võimalikke mehhanisme.

Otsese aatomite asukohavahetuse mehhanism

Aatomite omavahelise asukoha vahetuse difusioonimehhanism seisneb selles, et soodsatel tingimustel vahetavad kaks naaberaatomit omavahel "hüppeliselt" asukohta. Ainuke difusioonimehhanism, mis ei vaja toimumiseks defekte kristallstruktuuris. Selle mehhanismi tõenäosus on aga väga väike, sest nõuab väga suurt kristallvõre moonutust ja energia kõrget kontsentratsiooni väikeses piirkonnas. Pealegi pole seda võimalik katseliselt tõestada. Seega ei saa selle difusioonimehhanismiga põhjendada difusiooniprotsesse tahkises.

Sõlmpunktidevaheline difusioonimehhanism

Sõlmpunkti vaheline difusioonimehhanism seisneb selles, et aine ülekanne toimub sõlmedevaheliste aatomitega. Selline difusioon saab intensiivselt toimuda vaid siis, kui kristallis on mingil põhjusel suur hulk sõlmedevahelisi aatomeid ja nad saavad kergesti liikuda võre vahel. Selline difusioonimehhanism toimub näiteks lämmastiku difundeerumisel teemandis.

Vakantsmehhanism

Vakantsmehhanism, seisneb selles, et aatomid migreerivad kristallvõres vakantside (kristallvõre sõlmpunktid, mis pole hõivatud aatomiga) abil. Vakantsi naabruses olevad aatomid võivad oma tasakaalu asendi ümber võnkudes saada vajaliku energia üleminekuks vakantsele (vabale) kohale, kusjuures tema endine asukoht jääb vakantseks ja võib olla hõivatud mõne teise naabruses oleva aatomi poolt. Energiat, mida vajatakse aatomi või vakantsi ülekandmiseks kristallvõres, nimetatakse aktivisatsiooni energiaks.
Kõikides difusiooniprotsessides leiavad enamasti aset kõik ülalmainitud difusioonimehhanismid.

Difusiooni sõltuvus temperatuurist

Isegi ühes ja samas kristallis võib difusioon toimuda eri mehhanismide najal ja erinevate aktivatsioonienergiatega. Difusioon võib olla keeruline mitmeastmeline protsess, millest igaüks omab oma temperatuuri sõltuvust. Temperatuuri tõus kiirendab alati difusiooni protsessi.

Difusiooni sõltuvus rõhust

Rõhk avaldab temperatuurist veelgi keerulisemat mõju difusioonile ja sõltub tugevasti difusiooni mehhanismist.
Kui difusioon kulgeb vakantsmehhanismi järgi, siis rõhu suurenemine vähendab vakantside arvu, sest vakantside tekkimisel suureneb kristalli ruumala, rõhu suurenedes ruumala aga väheneb ja seda paljuski vakantside arvel. Vakantside arvu vähenemisel difusioon aeglustub.
Kui difusioon kulgeb sõlmedevahelise difusioonimehhanismi järgi, siis ühelt poolt suurendab rõhu tõusmine sõlmpunktidevaheliste aatomite arvu, mis kiirendab difusiooni, teiselt poolt aga aatomitevaheline ala muutub kitsamaks ja aatomite vahel läbipääsemine muutub raskendatuks, mis aeglustab loomulikult difusiooni.