Die Diffusion von Wasserstoff und Deuterium in Niob und Vanadium

Es wurden die Diffusionskonstanten von Wasserstoff und Deuterium in den kubisch raumzentrierten Übergangsmetallen Niob und Vanadium bestimmt. Dazu ist ein Verfahren entwickelt worden, mit dem erstmalig die elastische Diffusionsnachwirkung von schnell beweglichen Punktdefekten nachgewiesen wird. Jeder Punktdefekt, der eine Gitterparameteränderung verursacht und sich in einem inhomogenen Verzerrungsfeld befindet, gibt Anlaß zu einem Relaxationsprozeß und im vorliegenden Fall wandern die Wasserstoffatome in Nb und V aus den komprimierten in die dilatierten Bereiche des Gitters, mit einer durch ihre Diffusionskonstante bestimmten Geschwindigkeit, wodurch sich eine zeitabhängige Zusatzdehnung - die Diffusionsnachwirkung - ausbildet. Für Wasserstoff in Nb und V wurde mit Hilfe von Literaturwerten für die vom H verursachte Gitteraufweitung die Relaxationsstärke der Diffusionsnachwirkung berechnet. Sowohl in die Gitterparameteränderung als auch in die Relaxationsstärke geht als entscheidende Größe die Spur des Doppelkrafttensors des Punktdefektes ein. Die berechneten Werte für die Relaxationsstärke wurden im Experiment bestätigt. Der zeitliche Verlauf der gemessenen Nachwirkungskurven kann in Übereinstimmung mit den theoretischen Berechnungen durch eine reineExponentialfunktion beschrieben werden. Der gefundene einfache Relaxationsprozeß wird mit nur einer Relaxationszeit beschrieben,aus der die Diffusionskonstanten für die Wasserstoff diffusion bestimmt werden. Die Absolutwerte der Diffusionskonstanten liegen bei Zimmertemperatur um 15 bis 25 Größenordnungen über den Diffusionskonstanten von 0, N und C in kubisch raumzentrierten Metallen.Sowohl bei Nb als auch bei V findet man einen großen Isotopieeffekt für die Wasserstoffdiffusion, der bei 300°K im Fall von Niob 2,3 und im Fall von Vanadium 3,1 beträgt. In beiden Fällen findet man für Deuterium eine stärkere Temperaturabhängigkeit des Diffusionskoeffizienten. Die mittlere Sprunghäufigkeit von Wasserstoff in V bei T = 300°C ist mit den höchsten Schwingungsfrequenzendes Gitters vergleichbar. Mit Hilfe der aus inelastischer Neutronenstreuung bekannten Energiedifferenz $\Delta E$ zwischen dem Grundzustand und dem ersten angeregten Zustand des H-Atoms im Metallgitter kann die Schwingungsfrequenz des H-Atoms auf seinem Gitterplatz berechnet werden, falls es sich wie ein Einstein-Oszillator verhält. Es zeigt sich, daß im gemessenen Temperaturbereich $\hbar \omega >> kT$, weshalb die Voraussetzung zur Anwendung der klassischen Sprungtheorie für die Diffusion nicht mehr erfüllt ist. Im Temperaturbereich über 300°K läßt sich aus den Diffusionsdaten für H in Nb eine Aktivierungsenergie von U = 0,11 eV bestimmen, die mit dem aus inelastischer Neutronenstreuung bekannten Wert $\Delta$E für das Wasserstoffatom im Nb-Gitter übereinstimmt. Aufgrund dieser Tatsache und der bei niedrigen Temperaturen sehr schwach werdenden Temperaturabhängigkeit derDiffusionskonstanten bietet sich eine quantenmechanische Beschreibung der Ergebnisse in einem Bandmodell an