核生成
核生成(Nucleation)とは、非常に局所的な領域で、異なる熱力学的相が出現することである。核形成とも呼ばれる。例えば、液体中では結晶・ガラス領域・気体の泡などの発生が実例として挙げられる。一般に知られている例としてはメントスガイザーがある。空孔クラスタの発生にも関わっており、半導体産業などで重視される。飽和水蒸気から液滴が形成される現象も核生成の一種であり(雲凝結核)、人工降雨のプロセスや泡箱・霧箱のような実験器具とも深く関連している。例外は存在するが(電気化学的核生成)、ほとんどの核生成過程は物理的な現象であり、化学的現象ではない。
通常、この現象は核生成部位と呼ばれる、流体と表面が接している場所で起こる。懸濁物や微小な気泡の表面でも発生する。このようなタイプの核生成は不均質核生成 (heterogeneous nucleation) と呼ばれるが、明確な核生成部位のない均質核生成 (homogeneous nucleation) も存在する。均質核生成は自発的・ランダムに起こるが、これには過熱・過冷却が必要である。
I ( T ) = A exp  ( − Q k T ) exp  ( − 16 π γ s l 3 3 Δ H s 2 ⋅ 1 k T ⋅ T m 2 Δ T 2 ⋅ f ( θ ) ) {\displaystyle I(T)\ =\ A\exp \left({\frac {-Q}{kT}}\right)\exp \left({\frac {-16\pi \gamma _{sl}^{3}}{3\Delta H_{s}^{2}}}\cdot {\frac {1}{kT}}\cdot {\frac {T_{m}^{2}}{\Delta T^{2}}}\cdot f(\theta )\right)}
と表される。ここで、
γ:表面張力.
ΔHs:単位体積あたりのエンタルピー
Tm:融点
θ:接触角
温度が低すぎると拡散速度が低いため、核生成部位に到達する粒子も少なくなり、核生成速度は遅くなる。だが、温度が高すぎると分子が核から抜けだしてしまい、やはり核生成速度は遅くなる。
定常状態での核形成に要する時間 τ {\displaystyle \tau } は、
τ = 16 h π σ Δ G v 2 a 4 exp  ( Δ G k B T ) {\displaystyle \tau \ =\ {\frac {16h}{\pi }}{\frac {\sigma }{\Delta G_{v}^{2}a^{4}}}\exp \left({\frac {\Delta G}{k_{B}T}}\right)}
という式で表される。ここで a は平均粒子径である。