Непрерывное и хаотичное движение частиц вещества. Диффузия

ДиффузияМногочисленные опыты показывают, что вещества при определенных условиях рассеиваются в пространстве: например, растворяются кристаллы соли или сахара в воде. Первоначально существовавшее распределение в пространстве вещества со временем самопроизвольно меняется при отсутствии макроскопических движений (конвекции или ветра). Этот процесс называется диффузией. Наблюдения за «крупными» частицами показывают, что они находятся в состоянии непрерывного хаотического движения — это так называемое броуновское движение. Экспериментально установленный закон диффузионного смещения броуновской частицы со временем из начальной точки в результате хаотического движения.

Средний квадрат смещения пропорционален времени движения частицы. Коэффициент пропорциональности D зависит от массы и размеров частицы. Этот закон находит естественное объяснение в рамках молекулярно-кинетической теории. Для получения такого закона нужно предположить, что частица испытывает удары молекул, которые происходят в случайные моменты времени, и частица при этом получает случайно ориентированное изменение импульса. Диффузия молекул в газообразном состоянии связана с их непрерывным хаотическим тепловым движением.

Для объяснения диффузии молекул в твердых или жидких (конденсированных) телах нужно предположить, что молекулы в составе конденсированного тела имеют возможность изредка изменить свое положение в пространстве. Это связано с тепловым движением молекул и существованием так называемых вакансий в структуре вещества, которую называют кристаллической решеткой.

Характерное время "ожидания" молекулой очередного перескока зависит от глубины потенциальной ямы, которую для нее образуют ближайшие соседки и от температуры. Чтобы выбраться из своей потенциальной ямы, молекула должна "позаимствовать" у некоторого количества соседей достаточную энергию. Каждая молекула в среднем обладает кинетической энергией, пропорциональной температуре вещества. Поэтому чем меньше температура, тем от большего количества соседей должна быть передана кинетическая энергия одной молекуле. Колебания в связанной системе молекул приводят иногда к "сосредоточению" достаточной энергии "в руках" одной молекулы. Вероятность этого события для каждой молекулы при заданном промежутке времени тем больше, чем выше температура.