Kristal yapı içinde gezinen bir atom

Yayılımın kendine has bir düzene sahip, katı bir ortamda gerçekleşiyor olması, atomların ortam içinde tamamıyla rastgele bir şekilde hareket edebilmelerini engelliyor. Kristal yapı içindeki çoğu kafes noktası ortamı oluşturan atomlar tarafından işgal edildiği için, bir atomun yapı içinde gezinmeye başlaması iki yolla mümkün olabiliyor. Atomlar, ya kristal yapıdaki boş konumlardan, yani boşluklardan (İngilizce: vacancy) diğer boşluklara geçerek, ya da kafes noktaları arasında kalan arayerlere (İngilizce: interstitial) yerleşerek yapı içinde gezinebiliyorlar. Bu işleyişlerin detaylarına geçmeden önce, kristal yapıda atomların nasıl konumlandıklarından bahsedelim.

Bir kristal yapıyı tarif ederken, kolaylık sağlaması için genellikle atomları kafes noktaları üzerine yerleşmiş, sabit duran küreler olarak resmediyoruz. İşin aslı tahmin edebileceğiniz gibi biraz farklı. Öncelikle, atomları birer küre olarak göstermemiz sadece bir basitleştirmeden ibaret. Atom gerçekte çok daha karmaşık bir yapıya sahip olmasına rağmen, Bohr atom modelinden esinlenerek her bir atomu bir küre olarak ele aldığımızda, yayılımı tarif edebilmek için ihtiyaç uyduğumuz kavramsallaştırmayı elde edebiliyoruz.

Atomların küre olarak gösterildiği bu kristal yapı tasvirini gerçek kristallerden ayıran bir diğer fark ise, kafes noktalarındaki atomların gerçekte sabit durmak yerine sürekli titreşiyor olmaları. Örnek olarak aşağıdaki resimde (A) ve (D) boyunca dört farklı zaman diliminde, bir kristal içindeki atomların konumları gösteriliyor. Atomlar, görüldüğü gibi, kafes noktalarında sabit durmak yerine, kafes noktası civarında sürekli olarak titreşerek konumlanıyorlar. Bu titreşim, bütün atomlar birbirleriyle etkileşim içinde olduğu için rastgele değil, uyumlu bir salınım halinde gerçekleşiyor.

Yukarıda (E) ile gösterilen resimde, (A) ve (D) arasında atomların bulunduğu konumlar üstüste yerleştirilerek resmediliyor. Dikkat ederseniz, atomların salınımları kafes noktalarına denk gelen bir merkez çevresinde gerçekleşiyor. Bu salınımlar kristal yapının ayrılmaz bir parçası olmasına rağmen, kolaylık sağlaması için bir kristal yapıyı tarif ederken atomları (F) ile gösterilen ortalama konumlarında, yani kafes noktalarında resmediyoruz.

Atomların sürekli bir salınım halinde olmalarını anlamamız, kristal yapılarda yayılımın nasıl mümkün olabildiğini kavramamız açısından büyük önem taşıyor. Şimdi bu salınımlara bağlı olarak yayılımın farklı işleyişlerle nasıl gerçekleşebildiğine bakalım.

Yeralan yayılımı işleyişi

Yukarıda da bahsettiğimiz gibi, kristal yapı içinde atomlar iki farklı işleyiş ile gezinebiliyorlar. Yeralan (İngilizce: substitutional) adını verdiğimiz ilk işleyiş, kristalin kafes noktalarına bulunan atomların boş duran diğer kafes noktalarına geçmesiyle gerçekleşiyor. Örnek olarak aşağıda (A) ile gösterilen resimde, bir kristal içinde bir boşluk yer alıyor. Boşluğu çevreleyen atomlar kolaylık sağlaması için yeşil renkte, boşluğa ilerleyecek olan atom ise kırmızı renkle gösteriliyor. Kristal yapılardaki atomların, sürekli bir salınım içinde olduklarını belirtmiştik. Atomlar kendi kafes noktaları çevresinde titreşmeye devam ederken, ufak bir an dilimi için bile olsa, boşluğu çevreleyen atomların boşluğun çevresinden uzaklaşarak, kırmızı atomun sağ tarafa ilerlemesi karşısında bir engel oluşturmayacak konumlara geçmesi mümkün olabiliyor. Eğer tam da bu anda, kırmızı renkle gösterilen atom sağ tarafa doğru bir salınım yapmışsa, kendisini durduracak bir engelle karşılaşmadığı için, bir anda kendisini boşluğu doldurmuş olarak, yani aşağıda (C) ile gösterilen konumda bulabiliyor.

Eğer kristal içinde konum değiştiren atom yabancı bir atom değil de, kristal yapıdaki atomlardan biriyse, bu işleyişe özyayılım, ya da özyayınım (İngilizce: self diffusion) adını veriyoruz. Yeralan işleyişi yalnızca boşluklardan faydalanarak gerçekleşebildiği için, kristalde bulunan boşluk miktarı yayılımın hızını önemli ölçüde etkiliyor.

Arayer yayılımı işleyişi

Kristal yapılarda gerçekleşmesi mümkün olan bir diğer yayılım işleyişi de, kristalin sahip olduğu atomlara kıyasla daha küçük, arayer konumlara sığabilecek boyutlarda bir yabancı atom kristal içine sızdığında karşımıza çıkıyor. Yukarıda yeralan işleyişi için tarif ettiğimiz senaryoya benzer şekilde, aşağıda kırmızı renkle gösterilen arayer atomun önündeki yeşil atomlar, salınımları esnasında kırmızı atomun geçişine izin verecek konumlara denk geldiğinde (B), arayer atomu bir diğer arayer konumuna geçerek yapı içinde gezinebiliyor (C).

Özetlemek gerekirse, atomların kafes içinde salınır durumda bulunuyor olmaları, yayılımın iskeletini oluşturuyor diyebiliriz. Atomların salınım frekansı sıcaklık arttıkça arttığı için, burada tarif ettiğimiz senaryoların gerçekleşme ihtimali de sıcaklığa bağlı olarak artış gösteriyor. Bu nedenle sıcaklık arttıkça atomların yapı içerisinde daha kolay yayılabildiklerini görüyoruz.

Bu başlık altında her ne kadar yapı içerisindeki tek bir atomun gezinmesine odaklanmış olsak da, birçok yabancı atomun yayıldığı daha gerçekçi durumlarda da yayılım yukarıda bahsettiğimiz iki işleyiş sayesinde mümkün oluyor. Çok sayıda atomun yayılması ile ilgili olarak aklımızda tutmamız gereken en önemli kural, yayılımın daima yüksek konsantrasyona sahip bölgelerden düşük konsantrasyona sahip bölgelere doğru ilerliyor olması. İlerleyen konularda çok sayıda atomun gezindiği yayılım örnekleri üzerinde duracağız.

Devamı: