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Lexikon Physik

Diffusion

Die Diffusion (von lat. diffusus „ausgebreitet, verstreut“) ist ein statistischer Ausgleichsprozess, in dessen Verlauf durch die zufälligen Wärmebewegungen von Teilchen (Atome, Moleküle) Konzentrationsunterschiede ausgeglichen werden – einfach weil dies wahrscheinlicher ist. Die der Diffusion zugrundeliegende Wärmebewegung der Teilchen lässt sich über die Brown’sche Bewegung sichtbar machen.

Zwei Gase (oder allgemeiner Stoffe) diffundieren ineinander, bis die Teilchen beider Sorten gleichmäßig im Raum verteilt sind (Abb.). Diffusion tritt auch an der Grenzfläche zweier Phasen auf (Grenzflächendiffusion).

Diffusion - Abbildung 1

In der mathematischen Beschreibung betrachtet man zwei Volumina eines Stoffs mit Konzentrationen c1 bzw. c2, d. h. einem räumlichen Konzentrationsgefälle \(\Delta c/\Delta x\)Dc/Dx. Dann besagt das erste Fick’sche Gesetz (nach Adolf Fick), dass im Zeitintervall \(\Delta t\) gerade \(\Delta N\) Teilchen durch die Trennfläche mit dem Querschnitt A treten:

\(\dfrac{\Delta N}{\Delta t} = - D\cdot A \cdot \dfrac{\Delta c}{\Delta x}\)

Der Proportionalitätsfaktor D ist die Diffusionskonstante. Sie hat für Gase Werte um 1 cm2/s; bei Flüssigkeiten und Festkörpern verläuft die Diffusion wesentlich langsamer (in Flüssigkeiten liegt D bei etwa 10–5 cm2/s, in Festkörpern zwischen 10–5 und 10–20 cm2/s). Ionen diffundieren langsamer als neutrale Teilchen.

Die Diffusion wird in verschiedenen technischen Verfahren ausgenutzt, z. B. in der Trennung von Gasen verschiedener Masse (etwa der Wasserstoff-Isotope 1H und 2H), und spielt auch eine Rolle bei der Dotierung von Halbleitern.

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