Diffusion

Diffusion (Physik), das Fließen von Energie oder Materie von einem Ort höherer Konzentration zu einem Ort niedrigerer Konzentration. Ein bekanntes Beispiel für Diffusion ist die Durchmischung von Gasen oder Flüssigkeiten. Wenn das Ende einer Stange erhitzt oder elektrisch aufgeladen wird, breitet sich die Wärme oder der elektrischer Strom (siehe Elektrizität) von dem heißen bzw. geladenen Teil zum kalten bzw. ungeladenen Teil hin aus. Ist die Stange aus Metall, vollzieht sich die Diffusion im Fall der Wärme (Wärmediffusion) schnell und im Fall des Stroms fast ohne Zeitverzögerung. Wenn die Stange aus Kunststoff besteht, wird die Wärmediffusion langsam und die Diffusion der geladenen Teilchen sehr langsam verlaufen. Diffusion von Material verläuft im Allgemeinen noch langsamer. Wenn man z. B. ein Stück Zucker auf den Boden einer Tasse mit Wasser legt, löst sich der Zucker auf. Die gelösten Zuckermoleküle diffundieren langsam in das Wasser, d. h., sie verteilen sich. Wird das Wasser nicht umgerührt, kann es Wochen dauern, bis die Lösung homogen ist. Sogar die Diffusion einer festen Substanz in eine andere ist möglich. Wenn z. B. Kupfer mit Gold beschichtet wird, wird das Gold langsam in die Oberfläche des Kupfers diffundieren. Jedoch benötigt die Diffusion einer nennenswerten Menge Goldes über eine mehr als mikroskopische Entfernung normalerweise Jahrtausende.

Alle Arten von Diffusion folgen ähnlichen Gesetzen. Die Geschwindigkeit der Diffusion ist proportional zum Querschnitt und zur Konzentration, Temperatur oder Ladung (wenn diese gering sind). So wird z. B. Wärme viermal so schnell durch eine Stange mit zwei Zentimeter Durchmesser geleitet wie durch eine Stange mit einem Zentimeter Durchmesser. Sie wird doppelt so schnell geleitet, wenn der Temperaturunterschied 10 ºC pro Zentimeter beträgt anstatt nur 5 ºC pro Zentimeter. Die Diffusionsgeschwindigkeit ist proportional zu einer spezifischen Eigenschaft der Substanz, die im Fall von Wärmediffusion bzw. Diffusion von elektrischem Strom auch als Leitfähigkeit genannt wird (siehe Leiter, elektrischer; Wärme; siehe Wärmeübertragung; Widerstand). Die Menge des Stoffes, der in einer bestimmten Zeit diffundiert, und die Entfernung, die er zurücklegt, sind proportional zur Quadratwurzel der Zeit.

Die Diffusion ist ein Vorgang auf Molekularebene, der nur von der zufälligen Bewegung der einzelnen Moleküle abhängt. Die Geschwindigkeit der Diffusion ist daher proportional zur mittleren Geschwindigkeit der Moleküle. Im Fall von Gasen ist die mittlere Geschwindigkeit bei kleineren Molekülen größer, nämlich indirekt proportional zur Quadratwurzel aus dem Molekulargewicht, und nimmt mit Erhöhung der Temperatur schnell zu. Metallisches Thorium diffundiert beispielsweise bei Temperaturen um 2 000 ºC durch metallisches Wolfram. Derartiges mit Wolfram behandeltes Thorium wird in bestimmten Vakuumröhren verwendet.

Wenn in einem Gasgemisch ein Gasmolekül viermal so schwer ist wie ein anderes Teilchen, dann wird sich dieses Molekül, im Gegensatz zur Bewegung durch das reine Gas, nur halb so schnell bewegen. Außerdem wäre in diesem Fall seine Diffusionsgeschwindigkeit nur halb so groß wie sein Gewicht. Diesen Unterschied nutzt man u. a. um Substanzen mit unterschiedlichen Molekulargewichten zu trennen. Ein Beispiel wäre die Trennung von Isotopen. Wenn ein Gas, das zwei Isotope enthält, durch ein Hindernis mit feinen Poren geleitet wird, gehen die leichteren Isotope mit der höheren Duchschnittsgeschwindigkeit schneller durch das Hindernis als die schwereren. Für Trennungen im großen Stil diffundiert das Gas durch eine Reihe solcher Hindernisse. Diese Methode ist in der Technik unter der Bezeichnung Trennwand-Diffusions-Verfahren bekannt. Sie wurde häufig zur Trennung des spaltbaren Uranisotops U-235 vom natürlichen U-238 verwendet (siehe Kernenergie: Herstellung und Verbrauch des Kernbrennstoffs). Weil dieses Verfahren sehr energieaufwendig ist, kommen heutzutage andere Varianten der Trennwand-Diffusion zum Einsatz. Bei der Thermodiffusion beruht die Isotopentrennung auf temperaturabhängigen Wirkungen mancher Gase. Wenn diese Gase in einer Kammer einschlossen sind und das ganze Temperaturunterschieden ausgesetzt wird, neigen die schwereren Isotope zur Konzentration im kalten Bereich.

Diffusionsvorgänge kommen auch in biologischen Prozessen vor. Wenn z. B. zu große Blutmengen durch die Wände der Blutgefäße ins Körpergewebe diffundieren, kann es zum Schock kommen (häufig nach Operationen oder Verletzungen). Siehe auch Bluttransfusion; Kreislaufsystem.

Siehe auch Kolloid; Osmose