ცოდნა სინათლეა - Knowledge is light - Знание свет -  

                                  დიფუზია

ზოგიერთი ნაწილაკი იხსნება ჭიქა წყალში. თავდაპირველად, ნაწილაკები შუშის ერთ ზედა კუთხესთან ახლოსაა. თუ ნაწილაკები შემთხვევით მოძრაობენ ("დიფუზიური") წყალში, ისინი საბოლოოდ ნაწილდებიან შემთხვევით და თანაბრად მაღალი კონცენტრაციის ზონიდან დაბალ და ორგანიზებულ ზონაში (დიფუზია გრძელდება, მაგრამ წმინდა ნაკადის გარეშე).

(ლათ. diffusio „გავრცელება, გავრცელება, დისპერსია; ურთიერთქმედება“) - ნივთიერების გადაადგილების არათანაბარი პროცესი (მოლეკულები და ატომები აირებში, იონები პლაზმაში, ელექტრონები ნახევარგამტარებში და სხვ.) ნივთიერების გადაადგილება მაღალი კონცენტრაციის რეგიონიდან დაბალი კონცენტრაციის რეგიონი, რაც იწვევს კონცენტრაციების სპონტანურ გასწორებას მთელ დაკავებულ მოცულობაში. ჩვეულებრივ, განიხილება ერთი ნივთიერების დიფუზია გარემოში, მაგრამ შესაძლებელია ორი ნივთიერების დიფუზია, შემდეგ საუბარია აირების ურთიერთდიფუზიაზე. პლაზმაში იონებსა და ელექტრონებს აქვთ მუხტი და როდესაც ერთი ნივთიერება მეორეში შედის, ურთიერთდიფუზიის ნაცვლად გამოიყენება ტერმინი ამბიპოლარული დიფუზია. ამ შემთხვევაში ნივთიერების გადატანა ხდება მაღალი კონცენტრაციის (ან მაღალი ქიმიური პოტენციალის) რეგიონიდან დაბალი კონცენტრაციის (ან დაბალი ქიმიური პოტენციალის) რეგიონში კონცენტრაციის გრადიენტის მიმართულების საწინააღმდეგოდ.

დიფუზიის მაგალითია აირების (მაგალითად, სუნის გავრცელება) ან სითხეების შერევა (თუ წყალში მელანს ჩააგდებთ, გარკვეული პერიოდის შემდეგ სითხე ერთგვაროვან ფერს მიიღებს). კიდევ ერთი მაგალითი დაკავშირებულია მყარ სხეულთან: მიმდებარე ლითონების ატომები შერეულია კონტაქტის საზღვარზე.

დიფუზიის სიჩქარე დამოკიდებულია ბევრ ფაქტორზე. ასე რომ, ლითონის ღეროს შემთხვევაში, თერმული დიფუზია მიმდინარეობს უზარმაზარი სიჩქარით. თუ ღერო დამზადებულია დაბალი თბოგამტარობის მასალისგან (მაგალითად, მინისგან), თერმული დიფუზია ნელა მიმდინარეობს. მოლეკულების დიფუზია ზოგად შემთხვევაში კიდევ უფრო ნელა მიმდინარეობს. მაგალითად, თუ შაქრის ნაჭერი ჭიქა წყლის ფსკერზე ჩამოიყვანეთ და წყალი არ აურიეთ, ხსნარის ერთგვაროვნებამდე რამდენიმე კვირა დასჭირდება. კიდევ უფრო ნელია ერთი მყარის მეორეში დიფუზია. მაგალითად, რობერტ ბოილმა აჩვენა, რომ თუ სპილენძი დაფარულია ოქროთი, ოქრო სპილენძში გავრცელდება. ამასთან, ნორმალურ პირობებში (ოთახის ტემპერატურა და ატმოსფერული წნევა) ოქროს შემცველი ფენა რამდენიმე მიკრონის სისქეს მხოლოდ რამდენიმე ათასი წლის შემდეგ მიაღწევს. კიდევ ერთი მაგალითია უილიამ რობერტს-ოსტინის მიერ ტყვიის ოქროში გავრცელების სისტემატური შესწავლა და გამოქვეყნებული 1896 წელს. ხუთი წლის წონაზე ტყვიის ღერო შეაღწია ოქროს ზლონგში ერთი მილიმეტრით.

დიფუზიის პირველი სისტემატური ექსპერიმენტული კვლევა ჩაატარა თომას გრეჰემმა. მან შეისწავლა დიფუზია აირებში და ეს ფენომენი (გრეჰემის კანონი) მის მიერ იყო აღწერილი 1831-1833 წლებში.

დიფუზიური პროცესების პირველი რაოდენობრივი აღწერა გერმანელმა ფიზიოლოგმა ა. ფიკმა 1855 წელს მისცა.

დიფუზიური პროცესების შესწავლის თეორიასა და პრაქტიკაში დიდი წვლილი შეიტანა Ya.I. Frenkel-მა, რომელმაც 1926 წელს შესთავაზა და განავითარა ადგილობრივი დეფექტების (ვაკანსიები და ინტერსტიციული ატომები) დიფუზიის იდეა.

იხ. ვიდეო - დიფუზია

ზოგადი აღწერა

ყველა სახის დიფუზია ემორჩილება ერთსა და იმავე კანონებს. დიფუზიის სიჩქარე პროპორციულია ნიმუშის კვეთის ფართობის, აგრეთვე კონცენტრაციების, ტემპერატურისა და მუხტების სხვაობას (ამ პარამეტრების შედარებით მცირე მნიშვნელობების შემთხვევაში). ამრიგად, სითბო ოთხჯერ უფრო სწრაფად გაივლის ორ სანტიმეტრის დიამეტრის ღეროს, ვიდრე ერთი სანტიმეტრის დიამეტრის ღეროში. ეს სიცხე უფრო სწრაფად გავრცელდება, თუ ტემპერატურული სხვაობა სანტიმეტრზე 5°C-ის ნაცვლად 10°C იქნება. დიფუზიის სიჩქარე ასევე პროპორციულია კონკრეტული მასალის დამახასიათებელი პარამეტრის. თერმული დიფუზიის შემთხვევაში ამ პარამეტრს თბოგამტარობა ეწოდება, ელექტრული მუხტების ნაკადის შემთხვევაში ელექტრული გამტარობა. ნივთიერების რაოდენობა, რომელიც დიფუზირდება მოცემულ დროს და დიფუზიური ნივთიერების მიერ გავლილი მანძილი, პროპორციულია დიფუზიის დროის კვადრატული ფესვისა.

დიფუზია არის პროცესი მოლეკულურ დონეზე და განისაზღვრება ცალკეული მოლეკულების მოძრაობის შემთხვევითი ბუნებით. ამრიგად, დიფუზიის სიჩქარე პროპორციულია მოლეკულების საშუალო სიჩქარის. გაზების შემთხვევაში, მცირე მოლეკულების საშუალო სიჩქარე უფრო დიდია, კერძოდ, ის უკუპროპორციულია მოლეკულის მასის კვადრატული ფესვის მიმართ და იზრდება ტემპერატურის მატებასთან ერთად. მაღალ ტემპერატურაზე მყარ სხეულებში დიფუზიური პროცესები ხშირად პრაქტიკულ გამოყენებას პოულობს. მაგალითად, გარკვეული ტიპის კათოდური სხივების მილები (CRTs) იყენებენ მეტალის თორიუმს, რომელიც დიფუზირდება მეტალის ვოლფრამიში 2000°C ტემპერატურაზე.

თუ აირების ნარევში ერთი მოლეკულის მასა ოთხჯერ მეტია მეორეზე, მაშინ ასეთი მოლეკულა ორჯერ უფრო ნელა მოძრაობს სუფთა აირში მის მოძრაობასთან შედარებით. შესაბამისად, მისი დიფუზიის სიჩქარეც უფრო დაბალია. მსუბუქ და მძიმე მოლეკულებს შორის დიფუზიის სიჩქარის ეს განსხვავება გამოიყენება სხვადასხვა მოლეკულური წონის მქონე ნივთიერებების გამოსაყოფად. ამის მაგალითია იზოტოპების გამოყოფა. თუ გაზი, რომელიც შეიცავს ორ იზოტოპს, გაივლის ფოროვან მემბრანაში, მსუბუქი იზოტოპები უფრო სწრაფად აღწევენ მემბრანაში, ვიდრე მძიმეები. უკეთესი გამოყოფისთვის პროცესი რამდენიმე ეტაპად ტარდება. ეს პროცესი ფართოდ გამოიყენებოდა ურანის იზოტოპების განცალკევებისთვის (235U გამოყოფა 238U ძირითადიდან). ვინაიდან გამოყოფის ეს მეთოდი ენერგო ინტენსიურია, შემუშავებულია სხვა, უფრო ეკონომიური გამოყოფის მეთოდები. მაგალითად, ფართოდ არის განვითარებული თერმული დიფუზიის გამოყენება აირისებრ გარემოში. იზოტოპების ნარევის შემცველი გაზი მოთავსებულია კამერაში, რომელშიც შენარჩუნებულია სივრცითი ტემპერატურის სხვაობა (გრადიენტი). ამ შემთხვევაში მძიმე იზოტოპები დროთა განმავლობაში კონცენტრირდება ცივ რეგიონში.

იხ. ვიდეო - დიფუზია - შესავალი

ისტორიული თვალსაზრისით, დიფუზია მყარ სხეულებში გამოიყენებოდა დიფუზიის თეორიის შექმნამდე დიდი ხნით ადრე. მაგალითად, პლინიუს უფროსმა ადრე აღწერა ცემენტირების პროცესი, რომლის დროსაც ფოლადი მზადდება რკინისგან (Fe) ნახშირბადის დიფუზიის გზით. კიდევ ერთი მაგალითი, რომელიც კარგად არის ცნობილი მრავალი საუკუნის განმავლობაში, არის ვიტრაჟების ან ფაიანსის და ჩინური კერამიკის დიფუზია.

თანამედროვე მეცნიერებაში დიფუზიის პირველი სისტემატური ექსპერიმენტული კვლევა ჩაატარა თომას გრეჰემმა. მან შეისწავლა დიფუზია აირებში და მთავარი ფენომენი მის მიერ აღწერილი იყო 1831-1833 წლებში:

„...სხვადასხვა ბუნების აირები, შეხებისას, არ არის განლაგებული მათი სიმკვრივის შესაბამისად: ყველაზე მძიმე ქვედა ნაწილში და მსუბუქია ზედა ნაწილში, ისინი სპონტანურად და თანაბრად ნაწილდებიან ერთმანეთში და ამიტომ რჩებიან ერთში. ნარევის მდგომარეობა თვითნებური ვადით.

გრეჰემის გაზომვები დაეხმარა ჯეიმს კლერკ მაქსველს 1867 წელს, მიეღო CO2-ის დიფუზიის კოეფიციენტი ჰაერში 5%-ზე ნაკლები შეცდომით.

1855 წელს ადოლფ ფიკმა, 26 წლის ანატომიის ლექტორმა ციურიხიდან, შემოგვთავაზა თავისი დიფუზიის კანონი. მან გამოიყენა გრეჰემის გაზომვები და განაცხადა, რომ მისი მიზანი იყო „სივრცის ერთ ელემენტში დიფუზიის ფუნდამენტური კანონის შემუშავება“. მან აღიარა ღრმა ანალოგია დიფუზიასა და სითბოს ან ელექტროენერგიის გამტარობას შორის, შექმნა ფორმალიზმი, რომელიც მსგავსია ფურიეს კანონის სითბოს გამტარობისთვის (1822) და ომის კანონის ელექტრო დენის შესახებ (1827).

რობერტ ბოილმა აჩვენა დიფუზია მყარ სხეულებში მე-17 საუკუნეში სპილენძის მონეტაში თუთიის შეღწევით. მიუხედავად ამისა, მყარ სხეულებში დიფუზია სისტემატურად არ იყო შესწავლილი XIX საუკუნის მეორე ნახევრამდე. უილიამ ჩენდლერ რობერტს-ოსტინი, ცნობილი ბრიტანელი მეტალურგი და თომას გრეჰამის ყოფილი თანაშემწე, სისტემატურად სწავლობდა მყარი ნივთიერებების დიფუზიას, მაგალითად, ოქროს გამოყენებით ტყვიაში 1896 წელს. :

". . . ჩემი დიდი ხნის ინტერესი გრეჰემის კვლევებით, ჩემს მოვალეობად აქცევს, ვეცადო, გავაფართოვო მისი მუშაობა ლითონებზე სითხის დიფუზიის შესახებ.

1858 წელს რუდოლფ კლაუზიუსმა შემოიტანა ცნება საშუალო თავისუფალი გზის შესახებ. იმავე წელს ჯეიმს კლერკ მაქსველმა შეიმუშავა გაზებში ტრანსპორტირების პროცესების პირველი ატომისტური თეორია. დიფუზიისა და ბრაუნის მოძრაობის თანამედროვე ატომისტური თეორია შეიმუშავეს ალბერტ აინშტაინმა, მარიან სმოლუჩოვსკიმ და ჟან ბატისტ პერენმა. ლუდვიგ ბოლცმანმა მაკროსკოპული სატრანსპორტო პროცესების ატომისტური საფუძვლების შემუშავებისას შემოიტანა ბოლცმანის განტოლება, რომელიც მათემატიკოსებსა და ფიზიკოსებს 140 წელზე მეტი ხნის განმავლობაში ემსახურება როგორც იდეებისა და პრობლემების წყაროს.

1920-1921 წლებში გიორგი დე ჰევეზიმ გაზომა თვითდიფუზია რადიოიზოტოპების გამოყენებით. მან შეისწავლა ტყვიის რადიოაქტიური იზოტოპების თვითდიფუზია თხევად და მყარ ტყვიაში.

იაკოვ ფრენკელმა შემოგვთავაზა და შეიმუშავა 1926 წელს კრისტალებში დიფუზიის იდეა ადგილობრივი დეფექტების (ვაკანსიები და ინტერსტიციული ატომები) მეშვეობით. იგი მივიდა დასკვნამდე, რომ დიფუზიის პროცესი შედედებულ მედიაში არის ელემენტარული ნახტომების და ნაწილაკებისა და დეფექტების კვაზიქიმიური ურთიერთქმედების ერთობლიობა. მან შემოიტანა რამდენიმე დიფუზიის მექანიზმი და აღმოაჩინა სიჩქარის მუდმივები ექსპერიმენტული მონაცემებიდან.

რამდენიმე ხნის შემდეგ კარლ ვაგნერმა და ვალტერ შოტკიმ განავითარეს ფრენკელის იდეები დიფუზიის მექანიზმების შესახებ. ახლა ზოგადად მიღებულია, რომ ატომური დეფექტები აუცილებელია კრისტალებში დიფუზიისთვის.

ჰენრი აირინგმა და სხვებმა გამოიყენეს რეაქციის აბსოლუტური სიჩქარის თეორია ნახევარკლასიკურ ფრენკელის დიფუზიის მოდელზე. რეაქციის კინეტიკასა და დიფუზიას შორის ანალოგიამ გამოიწვია ფიკის კანონის სხვადასხვა არაწრფივი განზოგადება.

იხ. ვიდეო - დიფუზია • ექსპერიმენტი •

ამბიპოლარული დიფუზია

ელექტრონებისა და იონების ერთობლივი დიფუზიის პროცესი სუსტად იონიზებულ პლაზმაში, რომელშიც ელექტრონებისა და იონების ნაკადები ან ემთხვევა სიდიდით ან განსხვავდება გარკვეული მუდმივი მნიშვნელობით.

უმარტივეს შემთხვევაში, ამბიპოლარული დიფუზია პირველად 1924 წელს განიხილა გერმანელმა ფიზიკოსმა ვ. შოტკიმ.

იხ. ვიდეო -- Ambipolar diffusion

ფიზიკური მნიშვნელობა

სივრცეში სუსტად იონიზებული პლაზმის დამუხტული ნაწილაკების სიმკვრივის არაჰომოგენური განაწილების არსებობისას შეინიშნება ამ ნაწილაკების სპონტანური მიმართული მოძრაობა, რაც იწვევს მათი კონცენტრაციის გათანაბრებას მთელ დაკავებულ მოცულობაში. ამ პროცესს პლაზმური დიფუზია ეწოდება. ისევე როგორც ნეიტრალურ გაზს, პლაზმის დიფუზია გარე მაგნიტური ველის არარსებობის შემთხვევაში განისაზღვრება ნაწილაკების თერმული მოძრაობის სიჩქარით და მათი ერთმანეთთან და ნეიტრალურ ატომებთან შეჯახების სიხშირით. იმის გამო, რომ ელექტრონების მასა გაცილებით დაბალია, ვიდრე იონები, მათი თერმული მოძრაობის სიჩქარე უფრო მაღალია. ამრიგად, ელექტრონებს აქვთ უფრო მაღალი მობილურობა და უფრო სწრაფად დიფუზობენ. ამასთან, ელექტროსტატიკური ველი, რომელიც წარმოიქმნება ელექტრონებისა და იონების გამოყოფის დროს, ანელებს ელექტრონების მოძრაობას და ერთდროულად აჩქარებს იონების მოძრაობას. ამრიგად, ელექტრონებისა და იონების დიფუზიის სიჩქარის შედარება ხდება, რაც უზრუნველყოფს პლაზმისთვის კვაზინეიტრალურობის მდგომარეობის დაკმაყოფილებას.