2.10　氣體在固體中的擴散

固體中所溶解的氣體，可以由濃度大的區域向濃度小的區域遷移，這種遷移現象與氣體擴散現象相似，稱為氣體在固體中的擴散。擴散時所產生的氣體流量正比于給定方向的氣體濃度梯度。流量的大小可以由菲克定律來確定，即

（2-67）

式中　q——以氣體分子或原子個數表示的氣體流量，（cm2·s）-1；

        D——擴散系數，cm2/s；

        ——以氣體分子或原子個數表示的濃度梯度，（cm3/cm）-1；

        負號——流量方向與濃度梯度方向相反。

擴散系數是溫度的指數函數，即

（2-68）

式中　ED——擴散活化能，kcal/mol；

        R——普適氣體常數，kcal/（mol·K）；

        Ts——固體溫度，K；

        D0——系數，其值為Ts趨向無窮時的擴散系數。

擴散活化能ED和系數D0一般均為常數，與氣體和固體的性質有關。ED值以氣體粒子克服進到材料中的阻力所需要的能量來表示。在一定的溫度下，這個能值越小，擴散越激烈。例如，氫在玻璃中的擴散活化能ED比氦大兩倍，而氮和氧比氦大六倍。由此可見，氦比氫容易擴散，氫又較氮和氧容易擴散。因而，在玻璃超高真空系統中，最終壓力中的氫和氦的分壓較高。氫在鐵、鎳中的擴散比在不銹鋼中好，氧在鐵中的擴散比氫差。為防止氫的滲漏，金屬超高真空系統均利用不銹鋼制造。

圖2-12給出了氣體在金屬和玻璃中的擴散系數與溫度的關系。氫在金屬中的擴散比其他雙原子氣體好，特別值得提出的是氫在鈀中的擴散很有趣，在第一溫度下，擴散相當強烈。可以利用這種特性制成氫-鈀檢漏器。

氣體在金屬中：1—H2→W；2—H2→Mo；3—H2→Pd；4—H2→Ni；5—H2→Cu；6—O2→Ni；7—N2→Fe；8—O2→Ti；9—H2→Fe；10—O2→Cu

氣體在玻璃中：11—H2→SiO2；12—H2→玻璃12；13—H2→玻璃13；14—H2→玻璃14；15—H2→玻璃15；16—H2→玻璃16；17—H2→玻璃17

表2-21給出了氮在熔融石英（100%SiO2）中擴散時的ED和D0值。

注：1cal=4.2J。

表2-22為氣體在玻璃中擴散時的ED值。

表2-23為氣體在金屬中擴散時的ED和D0值。