高中物理 第一章 分子動理論 第1節(jié) 分子動理論的基本觀點 擴散現(xiàn)象介紹素材 魯科版選修3-3（通用）

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1、擴散現(xiàn)象介紹 擴散現(xiàn)象是指物質(zhì)分子從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域轉(zhuǎn)移，直到均勻分布的現(xiàn)象，速率與物質(zhì)的濃度梯度成正比。擴散是由于分子熱運動而產(chǎn)生的質(zhì)量遷移現(xiàn)象，主要是由于密密度差引起的。分子熱運動目前認(rèn)為在絕對零度以下不會發(fā)生。隨著物理學(xué)科的發(fā)展，人們已經(jīng)對擴散現(xiàn)象及其分子熱運動的實質(zhì)性的了解，而對于擴散現(xiàn)象的研究又越來越多的被應(yīng)用到人們的現(xiàn)實生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中。擴散現(xiàn)象的物理意義把一容器用隔板分隔為兩個部分，其中分別裝有兩種不會產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的氣體A和氣體B。兩部分氣體的溫度、壓強均相等。因而氣體分子數(shù)密度也相等。若把隔板抽除，經(jīng)過足夠長的時間后，兩種氣體都將均勻的分布在整個容器中。在液體

2、間和固體間也會發(fā)生擴散現(xiàn)象。例如清水中滴入幾滴紅墨水，過一段時間，水就都染上紅色；又如把兩塊不同的金屬緊壓在一起，經(jīng)過較長時間后，每塊金屬的接觸面內(nèi)部都可發(fā)現(xiàn)另一種金屬的成份。在擴散過程中，氣體分子從密度較大的區(qū)域移向密度較小的區(qū)域，經(jīng)過一段時間的摻和，密度分布趨向均勻。在擴散過程中，遷移的分子不是單一方向的，只是密度大的區(qū)域向密度小的區(qū)城遷移的分子數(shù)，多于密度小的區(qū)域向密度大的區(qū)域遷移的分子數(shù)。自擴散與互擴散實際的擴散過程都是較為復(fù)雜的，它常和多種因素有關(guān)。即使在上面所舉得氣體擴散例子中，所發(fā)生的也是氣體之間的互擴散?；U散是發(fā)生在混合氣體中，由于各成分的氣體空間分布不均勻，各種均要從高密度

3、區(qū)向低密度區(qū)遷移的現(xiàn)象。由于發(fā)生互擴散氣體分子的大小、形狀不同，他們的擴散速率也各不相同，所以互擴散仍然是較為復(fù)雜的過程。為了討論簡化，我們考慮自擴散。自擴散是互擴散的一種特例。這是一種使發(fā)生互擴散的兩種氣體分子的差異盡量變小，使它們相互擴散的速率趨于相等的互擴散過程。較為典型的自擴散例子是同位素之間的互擴散。因為同位素原子僅有核質(zhì)量的差異，核外電子分布及原子的大小均可以認(rèn)為相同，因而擴散速率幾乎是一樣的。例如若在CO2氣體（其中碳為C12)中含有少量的碳為C14的CO2，就可研究后者在前者中由于濃度不同所產(chǎn)生的擴散。具有放射性的C14濃度可利用b衰變儀檢測出。擴散現(xiàn)象的實質(zhì)氣體間的擴散現(xiàn)象氣

4、體分子熱運動的速率很大，分子間極為頻繁地互相碰撞，每個分子的運動軌跡都是無規(guī)則的雜亂折線。溫度越高，分子運動就越激烈。在0時空氣分子的平均速率約為400米/秒，但是，由于極為頻繁的碰撞，分子速度的大小和方向時刻都在改變，氣體分子沿一定方向遷移的速度就相當(dāng)慢，所以氣體擴散的速度比氣體分子運動的速度要慢得多。擴散現(xiàn)象是氣體分子的內(nèi)遷移現(xiàn)象。從微觀上分析是大量氣體分子做無規(guī)則熱運動時，分子之間發(fā)生相互碰撞的結(jié)果。由于不同空間區(qū)域的分子密度分布不均勻，分子發(fā)生碰撞的情況也不同。這種碰撞迫使密度大的區(qū)域的分子向密度小的區(qū)域轉(zhuǎn)移，最后達(dá)到均勻的密度分布。固體間的擴散現(xiàn)象固體分子間的作用力很大，絕大多數(shù)分子

5、只能在各自的平衡位置附近振動，這是固體分子熱運動的基本形式。但是，在一定溫溫度下，固體里也總有一些分子的速度較大，具有足夠的能量脫離平衡位置。這些分子不僅能從一處移到另一處，而且有的還能進(jìn)入相鄰物體，這就是固體發(fā)生擴散的原因。固體的擴散在金屬的表面處理和半導(dǎo)體材料生產(chǎn)上很有用處，例如，鋼件的表面滲碳法(提高鋼件的硬度)、滲鋁法(提高鋼件的耐熱性)，都利用了擴散現(xiàn)象；在半半導(dǎo)體工藝中利用擴散法滲入微量的雜質(zhì)，以達(dá)到控制半導(dǎo)體性能的目的。液體間的擴散現(xiàn)象液體分子的熱運動情況跟固體相似，其主要形式也是振振動。但除振動外，還會發(fā)生移動，這使得液體有一定體積而無一定形狀，具有流動性，同時，其擴散速度也大于固體。