构成金属的原子也在不停的运动吗？ 第1页

金属中原子的运动这个问题，我在博士课题里涉及过一点，最近正好也投了一篇合金原子扩散的的学术论文，就借此科普一下吧。

答案是肯定的，金属原子当然也会做无规则运动，但运动的方式和气体/液体分子区别很大。

首先，只要不处于绝对零度，任何物质的原子都处于不断的运动当中。对气体/液体分子，以及悬浮其中的花粉颗粒而言，他们之间的排布是无序的，相互碰撞也是没有规律的。因此，这些微观粒子的运动轨迹都是随机的。此类运动称为布朗运动。

但固态金属和气体/液体不一样，固态金属原子的微观排列是规则而有序的。以纯铁为例，常温下它的原子结构是这样的：

也就是说，铁原子会规则的堆成一个个立方体，每个立方体的八个顶点及体心都被铁原子占据。这种原子有序而规则排布的物质被称为晶体，而上图中的结构是体心立方(body centered cubic，简称bcc)晶体。

从上图也能看出来，理想晶体中大部分空间都被原子占据了，只剩下一些尺寸很小的间隙，而这些间隙并不足以让一个原子通过。因此，金属原子只能在原地做微小的振动，并不能相液体/气体分子一样到处游走。

那么，这是否就意味着金属原子完全动不了了呢？

并不是。请注意，我们上面讨论的是理想晶体。实际晶体材料在制备、加工和服役过程中中，会不可避免的会产生一些缺陷。例如原本应该被金属原子占据的地方空了出来，这种缺陷被称为空位。而空位就是金属原子扩散的最常见载体:

就像上图所示，当晶体中存在空位时，空位周围的有一定概率通过空位来移动，从而实现金属原子的无规则扩散。

如果你把两种金属（例如铜和镍）磨平抛光后紧紧的压在一起，并施加一定的温度用于加速扩散。那么，足够长的时间后，铜和镍会在空位的辅助下，相互朝着对方扩散。

并且，有意思的是，由于两种金属的扩散速度并不相同，扩散快的金属会失去更多原子，从而留下许多孔洞。这种现象被称为Kirkendall效应：

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