قانون پخش مولکولی گراهام

قانون پخش مولکولی، نفوذ مولکولی یا واپخش گراهام در سال ۱۸۴۸ میلادی توسط دانشمند فیزیک دان و شیمی دان اسکاتلندی توماس گراهام بیان شد. [ ۱] گراهام به طور تجربی دریافت که سرعت نفوذ گاز با جذر وزن مولکولی ذرات گاز، به طور معکوس متناسب است. [ ۱]
رابطهٔ پخش مولکولی گراهام:
در رابطهٔ بالا:
• Rate1 تجمع گاز اول ( حجم یا تعداد مول در واحد زمان ) است.
• Rate2 تجمع گاز دوم است.
• M1 جرم مولی گاز اول است.
• M2 جرم مولی گاز دوم است.
بر اساس قانون واپخش گراهام، سرعت نفوذ گازها ( تعداد مولکول های عبور کرده از حفره در ثانیه ) به وزن مولکولی گازها بستگی دارد. در واقع گازهایی که وزن مولکولی کم تری دارند سریع تر از گازهایی که وزن بیشتری دارند، از درون حفره عبور می کنند؛ بنابراین گازی که دارای وزن مولکولی پایین تری است، سرعت نفوذ مولکولی بالاتری دارد بنابراین زمان مربوط به نفوذ آن کم تر است؛ بنابراین مولکول های سبک تر، سرعت بالاتری دارند. تئوری کامل تری از قانون گراهام سال ها بعد به صورت تئوری سینتیکی و جنبشی گازها ارائه شد. قانون گراهام پایه ای برای جداسازی ایزوتوپ ها با انتشار فراهم می کند - روشی که نقش مهمی در توسعه بمب اتمی ایفا کرد. [ ۲]
قانون گراهام برای انتشار مولکولی دقیق ترین است که شامل حرکت گاز در یک زمان به درون حفره است. این تقریبا فقط برای انتشار یک گاز در دیگری یا در هوا است، زیرا این فرایندها شامل حرکت بیش از یک گاز است. [ ۲]
در شرایط مشابه دما و فشار، جرم مولی متناسب با چگالی جرم است. بنابراین، نرخ انتشار گازهای مختلف به طور معکوس متناسب با جذر چگالی جرم انها است:
که در رابطه زیر: ρ برار است با چگالی جرمی.
مثال اول: فرض کنید گاز 1 H2 و گاز 2 O2 باشد. ( این مثال برای نسبت بین نرخ دو گاز حل می شود ) .
بنابراین، مولکول های هیدروژن چهار برابر سریعتر از مولکول های اکسیژن پراکنده میشوند. [ ۱]
قانون گراهام همچنین می تواند برای پیدا کردن وزن مولکولی تقریبی یک گاز استفاده شود اگر یک نوع گاز شناخته شده باشد و اگر نسبت خاصی بین نرخ دو گاز وجود داشته باشد ( مانند مثال قبلی ) . معادله را می توان برای وزن مولکولی ناشناخته حل کرد.
قانون گراهام پایه و اساس جداسازی اورانیوم 235 از اورانیوم 238 موجود در اورانییت طبیعی ( سنگ اورانیوم ) در طول پروژه منهتن برای ساخت اولین بمب اتمی بود. دولت ایالات متحده یک کارخانه انتشار گازی در کارخانه مهندسی کلینتون در اوک ریج، تنسی، با هزینه 479 میلیون دلار ( معادل 5. 8 میلیارد دلار در سال 2021 ) ساخت. در این کارخانه، اورانیوم از سنگ معدن اورانیوم ابتدا به هگزافلورید اورانیوم تبدیل شد و سپس بارها و بارها مجبور به انتشار از طریق موانع متخلخل شد، هر بار کمی غنی تر در ایزوتوپ اورانیوم 235 کمی سبک تر شد. [ ۲]