高中物理 第一章 分子动理论 第1节 分子动理论的基本观点 扩散现象介绍素材 鲁科版选修3-3（通用）

高中物理 第一章 分子动理论 第1节 分子动理论的基本观点 扩散现象介绍素材 鲁科版选修3-3（通用）

扩散现象介绍 ‎ 扩散现象是指物质分子从高浓度区域向低浓度区域转移，直到均匀分布的现象，速率与物质的浓度梯度成正比。扩散是由于分子热运动而产生的质量迁移现象，主要是由于密密度差引起的。分子热运动目前认为在绝对零度以下不会发生。随着物理学科的发展，人们已经对扩散现象及其分子热运动的实质性的了解，而对于扩散现象的研究又越来越多的被应用到人们的现实生活、工农业生产及医学领域中。‎ 扩散现象的物理意义 把一容器用隔板分隔为两个部分，其中分别装有两种不会产生化学反应的气体A和气体B。两部分气体的温度、压强均相等。因而气体分子数密度也相等。若把隔板抽除，经过足够长的时间后，两种气体都将均匀的分布在整个容器中。在液体间和固体间也会发生扩散现象。例如清水中滴入几滴红墨水，过一段时间，水就都染上红色；又如把两块不同的金属紧压在一起，经过较长时间后，每块金属的接触面内部都可发现另一种金属的成份。‎ 在扩散过程中，气体分子从密度较大的区域移向密度较小的区域，经过一段时间的掺和，密度分布趋向均匀。在扩散过程中，迁移的分子不是单一方向的，只是密度大的区域向密度小的区城迁移的分子数，多于密度小的区域向密度大的区域迁移的分子数。‎ 自扩散与互扩散 实际的扩散过程都是较为复杂的，它常和多种因素有关。即使在上面所举得气体扩散例子中，所发生的也是气体之间的互扩散。互扩散是发生在混合气体中，由于各成分的气体空间分布不均匀，各种均要从高密度区向低密度区迁移的现象。由于发生互扩散气体分子的大小、形状不同，他们的扩散速率也各不相同，所以互扩散仍然是较为复杂的过程。为了讨论简化，我们考虑自扩散。自扩散是互扩散的一种特例。这是一种使发生互扩散的两种气体分子的差异尽量变小，使它们相互扩散的速率趋于相等的互扩散过程。较为典型的自扩散例子是同位素之间的互扩散。因为同位素原子仅有核质量的差异，核外电子分布及原子的大小均可以认为相同，因而扩散速率几乎是一样的。例如若在CO2气体（其中碳为C12)中含有少量的碳为C14的CO2，就可研究后者在前者中由于浓度不同所产生的扩散。具有放射性的C14浓度可利用b衰变仪检测出。‎ 扩散现象的实质 气体间的扩散现象 气体分子热运动的速率很大，分子间极为频繁地互相碰撞，每个分子的运动轨迹都是无规则的杂乱折线。温度越高，分子运动就越激烈。在‎0℃‎时空气分子的平均速率约为‎400米/秒，但是，由于极为频繁的碰撞，分子速度的大小和方向时刻都在改变，气体分子沿一定方向迁移的速度就相当慢，所以气体扩散的速度比气体分子运动的速度要慢得多。‎ 扩散现象是气体分子的内迁移现象。从微观上分析是大量气体分子做无规则热运动时，分子之间发生相互碰撞的结果。由于不同空间区域的分子密度分布不均匀，分子发生碰撞的情况也不同。这种碰撞迫使密度大的区域的分子向密度小的区域转移，最后达到均匀的密度分布。‎ 固体间的扩散现象 固体分子间的作用力很大，绝大多数分子只能在各自的平衡位置附近振动，这是固体分子热运动的基本形式。但是，在一定温温度下，固体里也总有一些分子的速度较大，具有足够的能量脱离平衡位置。这些分子不仅能从一处移到另一处，而且有的还能进入相邻物体，这就是固体发生扩散的原因。固体的扩散在金属的表面处理和半导体材料生产上很有用处，例如，钢件的表面渗碳法(提高钢件的硬度)、渗铝法(提高钢件的耐热性)，都利用了扩散现象；在半半导体工艺中利用扩散法渗入微量的杂质，以达到控制半导体性能的目的。‎ 液体间的扩散现象 液体分子的热运动情况跟固体相似，其主要形式也是振振动。但除振动外，还会发生移动，这使得液体有一定体积而无一定形状，具有流动性，同时，其扩散速度也大于固体。‎