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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。分子熱運動目前認為在絕對零度以下不會發(fā)生。隨著物理學科的發(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用到人們的現(xiàn)實生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及醫(yī)學領(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)生化學反應的氣體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

2、個容器中。在液體間和固體間也會發(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

3、空間分布不均勻,各種均要從高密度區(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。

4、 擴散現(xiàn)象的實質(zhì) 氣體間的擴散現(xiàn)象 氣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,最后達到均勻的密度分布

5、。 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;在半半導體工藝中利用擴散法滲入微量的雜質(zhì),以達到控制半導體性能的目的。 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。

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