Файл: Гегузин, Я. Е. Очерки о диффузии в кристаллах.pdf

ВЗАИМНАЯ ДИФФУЗИЯ

События вблизи плотины

Взаимная диффузия — это процесс взаимного перемещения

ном контакте. Сквозь границу раздела атомы сорта А

будут перемещаться в решетку В , атомы сорта В — в ре­ шетку А.

Взаимная диффузия внешне протекает спокойно и мед­ ленно, движение атомов слышимым звуком не сопровож­

дается и даже при температуре, близкой к температуре

плавления легкоплавкого кристалла диффузионной пары, слой, в котором образовался раствор АВ, со временем утолщается на несколько микронов в нас. О событиях в

зоне взаимной диффузии, казалось бы, и рассказывать нечего, разве что только сообщить, что атомы из А в В

движутся в направлении, противоположном движению

атомов из В в А.

В действительности, однако, в диффузионной зоне происходит множество событий, различные процессы ак­ тивно конкурируют друг с другом, об атомах лучше гово­

рить не «движутся», а «стремятся». Все здесь подчинено

одной цели: скорее и любым путем достичь того уменьше­

ния свободной энергии, которое наступит, когда из двух

кристаллов чистых веществ А ж В возникает однородный и ограненный кристалл раствора АВ. Разумеется, число атомов в кристалле АВ равно сумме чисел атомов в крис­

таллах А и В.

Если убрать плотину, разделяющую водоемы с различ­ ными уровнями воды, выравнивание уровней, конечно же,

не будет происходить спокойно: возникнут брызги, водя­

ные вихри, будут рождаться и лопаться воздушные пузы­

ри, бурлящая вода будет ворочать камни, не считаясь с тем, что и на камни, и на брызги, и на вихри надо расходо­

107

вать энергию. Она расходуется, как плата за возможность

поскорее избавиться от разности уровней воды слева и

справа от плотины и получить при этом выигрыш энергии, значительно превосходящий траты.

Нечто подобное наблюдается и в диффузионной зоне,

но в ней течет не один поток, как в случае водяной плоти­

ны, а два встречных потока, стремящихся сгладить разность

концентраций (уровней!) и атомов сорта А, и атомов сор­

та В. При этом в ней возникают подобия и брызг, и пузы­ рей, и вихрей.

Думая о процессах в диффузионной зоне, невольно

вспоминаешь Блока: «И вечный бой. Покой нам только

снится...»

В этой главе мы расскажем о тех событиях в диффу­

зионной зоне, которые предшествуют рождению кристал­

ла АВ.

О двух встречных потоках атомов

Диффузионные блуждания атомов сорта А и сорта В в процессе взаимной диффузии целенаправленны. Цель — идеально перемешаться. Разумеется, в случае, если веще­ ства А и В взаимно неограниченно растворимы. Так как далее для простоты имеется в виду именно этот случай, сле­

дует разъяснить «неограниченную растворимость».

Неограниченно растворимыми могут быть лишь изо­

морфные кристаллические вещества. Это значит, что их решетки имеют одинаковую структуру, т. е. характеризу­ ются одинаковыми элементами симметрии, а сами кристал­ лы отличаются лишь сортом атомов. Доказать это легко, следуя схеме рассуждений «от противного». Допустим, что неограниченно растворимые кристаллические вещества

имеют различную кристаллическую структуру, а переход от

одной из них к другой должен происходить непре­

рывно. Значит, при растворении атомов А в кристалле В,

или, точнее говоря, при замене в кристалле В собственных атомов атомами сорта А, непрерывно должны были бы ис­

чезать те элементы симметрии кристалла А, которых нет

в кристалле В. и появляться те, которые в В есть, а в А

отсутствуют. А это абсурдно, так как элемент симметрии

может либо быть, либо отсутствовать. Ведь нелепо говорить,

например, об одной четверти какой-нибудь из осей сим­

108

метрии. Именно в связи с этой нелепостью справедливым

оказывается утверждение, которое мы хотели доказать:

неограниченно взаимно растворяются лишь изоморфные кристаллические вещества.

Итак, два встречных потока: атомы сорта А по направ­

лению из кристалла А в кристалл В и атомы сорта В —

из кристалла В в кристалл А. Для дальнейшего необходи­ мо обратить внимание на важную особенность этих

встречных потоков: они не обязаны быть одинаковыми, бо­

лее того, они практически никогда одинаковыми не быва­

ют. Причина их неодинаковости в том, что очередной эле­ ментарный скачок атома сорта А происходит с вероятно­

стью иной, чем вероятность скачка атома сорта В. Это озна­

чает, что коэффициенты диффузии А в В (DA^.B) ж В в А (Db^a) различны и различны соответствующие потоки атомов.

Легко сообразить ноток каких атомов будет большим.

Видимо, тех, для которых переход из решетки материнско­

ся энергией связи с материнской решеткой. Мерой энергии

связи, в частности, является теплота испарения. Значит,

естественно ожидать, что из двух встречных потоков боль­ шим будет поток из кристалла с меньшей теплотой испаре­ ния. Так как в ряду кристаллов с одинаковой кристалличе­ ской решеткой теплота испарения тем больше, чем выше

температура плавления, то преимущественный поток ато­

мов должен быть направлен из кристалла с меньшей темпе­ ратурой плавления. Эта закономерность оправдывается

во множестве опытов: потоки меди в никель, серебра — в

золото, золота — в платину, никеля — в кобальт превосхо­

дят соответствующие встречные потоки.

вительности скачки атомов сорта А и В не являются полно­ стью независимыми. Степень их зависимости, в частности,

определяется концентрацией образовавшегося раствора {А — В ) . С этим связаны некоторые усложнения реального

процесса взаимной диффузии. Это, однако, в деталях, а ос ­

новные, грубые контуры картины таковы: два встречных

потока, и больший из них тот, который направлен из крис­ талла с меньшей температурой плавления.

109