原子拡散

化学物理学において、原子拡散とは、固体中の原子が熱によってランダムに動き、結果として原子が移動する拡散過程のことです。例えば、風船の中のヘリウム原子は風船の壁を拡散して外に出ることができ、その結果、風船はゆっくりとしぼんでいきます。他の空気分子（酸素、窒素など）は移動度が低いため、風船の壁をよりゆっくりと拡散します。風船の壁には濃度勾配が存在します。なぜなら、風船は最初にヘリウムで満たされているため、内側にはヘリウムが豊富にありますが、外側には比較的少ないからです（ヘリウムは空気の主要成分ではありません）。輸送速度は、拡散係数と濃度勾配によって決まります。

結晶固体状態では、結晶格子内の拡散は、格子間拡散または置換拡散のいずれかのメカニズムによって起こり、格子拡散と呼ばれます。^{[ 1 ]} 格子間拡散では、拡散物質（鉄合金中のCなど）が、別の結晶元素の格子構造の間に拡散します。置換格子拡散（自己拡散など）では、原子は別の原子と場所を置換することによってのみ移動できます。置換格子拡散は、結晶格子全体に点空孔が存在するかどうかに依存することがよくあります。拡散粒子は、点空孔から点空孔へと、急速で本質的にランダムなジャンプ（ジャンプ拡散）によって移動します。

点空孔の存在率はアレニウスの式に従って増加するため、結晶固体拡散の速度は温度とともに増加する。

欠陥のない結晶中の単一原子の場合、その動きは「ランダムウォーク」モデルで記述できます。3次元では、その後${\displaystyle n}$長さのジャンプ${\displaystyle \alpha }$原子は平均して次の距離を移動する。

${\displaystyle r=\alpha {\sqrt {n}}.}$

ジャンプ周波数が次のように与えられる場合${\displaystyle T}$（1秒あたりのジャンプ数）で、時間は次のように与えられます。${\displaystyle t}$、 それから${\displaystyle r}$は平方根に比例する${\displaystyle Tt}$:

${\displaystyle r\sim {\sqrt {Tt}}.}$

多結晶材料における拡散には、短絡拡散機構が関与することがある。例えば、粒界や転位などの特定の結晶欠陥に沿っては、より多くの空間が存在するため、拡散の活性化エネルギーが低くなる。そのため、多結晶材料における原子拡散は、格子拡散係数と粒界拡散係数の組み合わせである有効拡散係数を用いてモデル化されることが多い。一般に、表面拡散は粒界拡散よりもはるかに速く起こり、粒界拡散は格子拡散よりもはるかに速く起こる。^{[ 2 ]}

• カーケンデール効果
• 質量拡散率

• 古典的拡散とナノスケール拡散（図とアニメーション付き）