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)

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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。
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