2.

Caratteristiche del fenomeno

I diversi fenomeni di diffusione seguono le medesime leggi, valide, con buona approssimazione, nella maggior parte dei casi reali. La velocità di diffusione è proporzionale alla sezione trasversale della regione attraverso cui il meccanismo si verifica, e al gradiente di concentrazione, di temperatura o di carica (quando il gradiente è piccolo). La velocità di diffusione dipende da proprietà specifiche del materiale diffondente, attraverso un parametro che, nel caso del calore o dell'elettricità, è detto conduttività, mentre nel caso della materia prende il nome di coefficiente di diffusione. La quantità di materiale che diffonde in un certo tempo, che dipende direttamente dalla distanza percorsa dalla materia, è proporzionale alla radice quadrata dell’intervallo di tempo: così, se una quantità definita di zucchero diffonde di 1 cm in una settimana, occorreranno 4 settimane perché la medesima quantità diffonda di 2 cm.

La diffusione di atomi o molecole nei liquidi o nei solidi in generale avviene lentamente. Ad esempio, se poniamo una zolletta di zucchero sul fondo di un recipiente pieno d'acqua fredda, essa si scioglierà e lo zucchero diffonderà lentamente attraverso l'acqua, ma, se la soluzione non viene mescolata, possono occorrere settimane prima che essa divenga completamente omogenea.

Viceversa, i processi di diffusione di calore o cariche eletttriche sono molto più rapidi. Possiamo rendercene conto riscaldando o caricando elettricamente l'estremità di una sbarra: in breve tempo, il calore o le cariche elettriche si saranno spostate fino all'estremo opposto, in modo che al termine del processo la temperatura o la carica della sbarra sia uniforme. La rapidità del fenomeno dipende dalla natura del materiale di cui la sbarra è costituita, ovvero dalla sua conduttività: se si tratta di un metallo, la diffusione sarà molto rapida per il calore e pressoché istantanea per l'elettricità; se si tratta di un buon isolante termico o elettrico, quale ad esempio l'asbesto, il processo sarà lento per entrambi i fenomeni.

I processi di diffusione tra solidi sono importanti nel settore industriale e vengono ampiamente utilizzati nella cementazione dell'acciaio.

1.

La prospettiva microscopica

A differenza del mescolamento, che coinvolge masse macroscopiche, la diffusione è un fenomeno molecolare, che dipende dal moto casuale delle singole molecole. La velocità di diffusione della materia, quindi, è direttamente proporzionale alla velocità media delle molecole. Nel caso dei gas, tale velocità media è maggiore per le molecole più piccole, essendo inversamente proporzionale alla radice quadrata della massa molecolare, e cresce considerevolmente all'aumentare della temperatura. Il torio metallico, ad esempio, diffonde rapidamente nel tungsteno metallico a temperature prossime ai 2000 °C (tungsteno trattato in questo modo con torio viene usato in speciali tubi a vuoto).

2.

Applicazioni e importanza

Se una molecola di gas ha massa quadrupla di un'altra, si muoverà con velocità dimezzata rispetto a quest'ultima, percorrendo perciò nello stesso tempo metà della distanza. Questo fenomeno può essere utilizzato per separare sostanze con diversa massa molecolare, in particolare per separare i diversi isotopi di uno stesso elemento. Se un gas contenente due isotopi viene fatto passare attraverso un fine setto poroso, l'isotopo più leggero, che ha velocità media più alta, attraverserà il setto più velocemente dell'altro. Per una separazione su larga scala, il gas viene fatto diffondere attraverso una serie di barriere porose: questa tecnica, nota come separazione per diffusione gassosa, è ampiamente usata per separare l'isotopo fissile U 235 dell'uranio dall'isotopo U 238 non fissile. La separazione per termodiffusione è un altro metodo di separazione isotopica, che sfrutta le proprietà termiche di alcuni gas: grazie a esse, in un gas precedentemente racchiuso in una camera sottoposta a gradiente di temperatura, gli isotopi di peso maggiore, si concentrano nella zona più fredda del contenitore, risultando facilmente distinguibili.

I fenomeni di diffusione hanno grande importanza biologica. Ad esempio, i materiali nutritizi – risultato della digestione dei cibi ingeriti – vengono trasformati in prodotti necessari all'organismo dall'attività delle cellule e, diffondendo attraverso le loro membrane esterne, si immettono nella circolazione sanguigna per distribuirsi in tutto il corpo.