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1
Diffusion
Stefan Hildebrandt
Mareike Brocksieper04.05.2005
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2
Literaturangaben
• Ulrich Schoo - Diffusion in ionenleitendenBoratgläsern
• W. Jost, K. Hauffe – Diffusion, 2.Auflage
• Skript DD aus dem F-Praktikum
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3
Inhalt
• Definition und Grundbegriffe
• Fick‘sche Gesetze
• Lösungen des 2.Fick‘schen Gesetzes mit Beweis der Fehlerfunktion
• Diffusion in Festkörpern
• Radiotracermethode
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4
Definition der Diffusion
Materietransport zum Ausgleich des
chemischen Potentials in festen, flüssigen und
gasförmigen Medien
Ursache: grad µ (1-D Fall)
kann meist als Konzentrationsänderungbetrachtet werden
dx
dµ
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5
Stoffmengenstromdichte:
1.Ficksches Gesetz
cDj ∇−=rr
cvcDj ><+∇−=rrr
ZeitFläche
Stoffmengej
⋅=
Diffusiver Beitrag Konvektiver Beitrag (Drift)
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6
Instationäre DiffusionsprozesseHerleitung über Kontinuitätsgleichung (siehe Seminar vom 20.04.05 )
2.Ficksches Gesetz
2
2
dx
cdDcD
dt
dc=∇∇=
rr
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7
Lösungen des 2.Fickschen Gesetzes
1. Dünnschicht Lösung / Quellenlösung
2. Fehlerlösung / kontinuierliche Quelle
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8
1. Dünnschicht Lösung / Quellenlösung
t=0 : alle Teilchen bei x=0 c=c0
t=0 : bei x>0 gilt c=0
für alle t>0 gilt bei x�∞ c=0
−
=Dt
x
eDt
ctxc
40
2
),(π
AB
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9
1. Dünnschicht Lösung / Quellenlösung
−
=Dt
x
eDt
ctxc
40
2
),(π
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10
2. Fehlerlösung / kontinuierliche Quelle
Randbedingungen:
bei t=0 und t>0 gilt bei x=0 und x<0 c=c0
t=0 und x>0 c=0
t>0 und x�∞ c=0
Bestimmung der Fläche unter der Kurve mittels der
Fehlerfunktion:
dyetxerf
yDt
x
∫
−
=0
4
2
2),(
π
A BB A
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11
2. Fehlerlösung / kontinuierliche Quelle
Durch geeignete Normierung erhält man:
x
1
dyetxerf
yDt
x
∫
−
=0
4
2
2),(
π
x
f(x)
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12
2. Fehlerlösung / kontinuierliche Quelle
Die komplementäre Fehlerfunktion lautet:
und erhalten damit folgende Auftragung:
dyetxerftxerfc
yDt
x
∫
−
−=−=0
4
2
21),(1),(
π
x
1
dyec
c
txerfctxerfcctxc
yDt
x
∫
−
−=
−==
0
400
00
2
2
)],(1[),(),(
π
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13
2 Lösungen des 2.Fickschen Gesetzes
x
f(x)
x
1
x
f(x)
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Diffusion in Festkörpern
Diffusion in Festkörpern relativ langsam
� Beweglichkeit
Typische Dimensionen für
Gase:
Flüssigkeiten:
Feststoffe:
sm
254 1010 −− −
sm
2910 −
sm
21410−
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Diffusion in Festkörpern
2 verschiedene Mechanismen möglich:
• Leerstellenmechanismus
• Zwischengittermechanismus
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Leerstellenmechanismus
• diffundierende Spezies etwa so groß wie die
Matrix
• Diffusion möglich aufgrund von Kristallbaufehlern
(Defekten)
• für D ergibt sich somit:
−=
Tk
EDD
B
Aexp0
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Zwischengittermechanismus
• diffundierende Spezies wesentlich kleiner als die Matrix
• Atome können z.B. Oktaederlücken besetzen
� Platzwechsel nicht an Vorhandensein von Leerstellen geknüpft
• Aktivierungsenergie geringer als beim Leerstellenmechanismus
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EA
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19
Radiotracermethode
Zum Verständnis:
• ein Radiotracer ist ein radioaktiv markiertes Teilchen
• häufig Nutzung eines Isotops um Selbstdiffusion zu beobachten
�Vorteil: ähnliche Eigenschaften
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20
Radiotracermethode
• ein radioaktiver Tracer wird dünn in einer glatten Schicht auf die Probe aufgetragen
• zum Bestimmen von D: schichtweise Abtragung der Probe
• die Tracerkonzentration wird anhand der spezifischen Radioaktivität jeder einzelnen Schicht bestimmt
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Radiotracermethode
• D wird anhand der Eindringtiefe und der Konzentration des Diffusors bestimmt
• c des Diffusors ~ zur radioaktiven Aktivität
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Radiotracermethode
Dt4
1−lnc
X2
Zur Auswertung des Radiotracerexperimentes, Bestimmung des
Diffusionskoeffizienten, wird folgende Auftragung genutzt
Dt
x
ec 4
2
−
∝