Qu’est-ce que la diffusion ?

En physique, la diffusion désigne :

*1- la propagation des ondes lorsque celles-ci rencontrent un obstacle (notamment de la lumière)

* 2- la migration d’espèces chimiques dans un milieu

* 3- la diffusion, ou transfert de chaleur entre deux régions d’un même milieu ou entre deux milieux en contact sans déplacement appréciable de matière

1- La diffusion est le phénomène par lequel un rayonnement, comme la lumière, le son ou une particule en mouvement est dévié dans de multiples directions (on peut parler d’« éparpillement ») par une interaction avec d’autres objets. La polarisation du rayonnement incident est en général modifiée suite à la diffusion. La diffusion peut être également répartie dans toutes les directions (isotrope) ou obéir à un patron de réémission bien particulier selon le milieu traversé (anisotrope). En particulier, la partie de l’onde incidente qui est retourné dans la direction d’où elle a été émise est appelée rétrodiffusion.

La diffusion peut avoir lieu à la rencontre d’une interface entre deux milieux (dioptre), ou à la traversée d’un milieu (cas de la décomposition de la lumière par un prisme ou effet de l’arc-en-ciel).
Le déplacement des atomes, ions ou molécules dans un milieu, que celui-ci soit solide (cristallin ou amorphe), liquide ou gazeux, est appelé de manière générale « migration ». La diffusion est la migration sous l’effet de l’agitation thermique, à l’exception des autres phénomènes. Elle intervient par exemple dans des procédés d’amélioration des caractéristiques mécaniques (traitements de surface comme la nitruration ou cémentation), la résistance à la corrosion et les procédés d’assemblage par brasage.

2- Lorsqu’un atome se déplace parmi des atomes de même nature, on parle d’autodiffusion. Par exemple, on parlera d’autodiffusion du fer pour désigner la migration d’un atome de fer dans un cristal de fer.

Lorsque l’on a deux milieux homogènes différents que l’on met en contact, on parle d’interdiffusion.

En 1827, le botaniste Robert Brown observe le mouvement erratique de petites particules de pollen immergées dans de l’eau. Il ne s’agit pas d’un phénomène de diffusion, puisque ce qui bouge est une particule macroscopique, mais cette « marche aléatoire » (random walk), autrement appelé par le nom de son observateur « mouvement brownien », servira de modèle pour la diffusion.

En 1896, Roberts-Austen, responsable de la monnaie en Grande-Bretagne, accole une plaquette d’or à une plaquette de plomb, fait chauffer le tout et mesure la profondeur de pénétration d’un métal dans l’autre. C’est la première mesure d’un coefficient d’interdiffusion à l’état solide.

En 1855, Adolph Fick propose des lois phénoménologiques, empiriques, inspirées des la lois de Fourier pour la chaleur (établies en 1822). C’est Albert Einstein qui démontrera les lois de Fick en 1905 avec ses travaux sur la loi stochastique. En 1908, Jean Perrin, fondateur du CNRS et prix Nobel de physique, fut le premier à mesurer la trajectoire de particules soumises au mouvement brownien et confirma ainsi l’analyse théorique d’Einstein.

3- La conduction thermique (ou diffusion thermique) est un mode de phénomène de transfert thermique provoqué par une différence de température entre deux régions d’un même milieu, ou entre deux milieux en contact, et se réalisant sans déplacement global de matière par opposition à la convection qui est un autre transfert thermique. Elle peut s’interpréter comme la transmission de proche en proche de l’agitation thermique : un atome (ou une molécule) cède une partie de son énergie cinétique à l’atome voisin.

La conduction thermique est un phénomène de transport de l’énergie interne dû à une inhomogénéité de l’agitation moléculaire. C’est donc un phénomène irréversible. Dans les fluides (liquides et gaz) ce transport d’énergie résulte de la non uniformité du nombre de chocs par unité de volume, de façon analogue au phénomène de diffusion. Dans les solides, la conduction thermique est assurée conjointement par les électrons de conduction et les vibrations du réseau cristallin (phonons).

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