1. 확산
기체나 액체 혹은 고체상태일지라도 물질의 원자들은 절대온도 영도 외에 온도에서는 계속 언제나 움직인다. 원자들의 움직임은 물질의 온도 및 상태가 무엇인지에 따라 달라진다. 기체 상태에서, 윈자간 그리고 분자간 결합력은 너무 약해서 개개의 기체 분자는 움직임에 제한을 안 받는다. 이것으로 기체의 분자간 결합력은 존재하지 않는다는 가정을 할 수 있다. 액체 상태의 원자는 분자간 결합력의 존재에 의해서 움직임이 제약을 받는다. 액체 내에서의 입자들의 Brownian 움직임은 물질이 집합 상태에 있을 때 찾아볼 수 있는 무질서한 움직임 형태의 좋은 예이다. 고체 재료에서는, 개개의 원자에 가능한 움직임의 정도는 액체 상태에 비해 더 제한되어 있다. 그러나 상상하는 것보다는 훨씬 더 자유도가 있다. 모든 군집체 상태에서, 원자 또는 분자 움직임의 정도는 온도가 증가함에 따라 증가한다.
금속 B로 한쪽 면이 코팅된 판상의 금속 A를 가정해 본다고 해보자. 일정 시간 후에 B 원자들은 시편의 반대쪽에 감지될지도 모른다. B 원자가 고체 A를 통과하여 이동하는데 소요되는 시간은 그 과정이 행하여진 온도에 의존한다. 높은 온도에서는 원자의 에너지가 높다. 그리고 낮은 온도에서보다 원자의 움직임 이 더 빠르다. 충분히 낮은 온도에서, 원자의 움직임은 너무 느리기 때문에 아무 이동도 안 일어나는 것으로 가정할 수도 있다. 절대온도 영도에서, 원자의 열에너지는 영이다. 원자들은 그들의 격자 위치에 고정되어 버린다. 그리고 움직이지 않는다. 확산은 논의된 각각의 여러 반응에 대한 용질 원자의 배치와 관련된 것으로 알고 있다.
이 시점에서 확산과정을 좀 더 자세하게 설명하는 것이 적절할 것 같다. 확산은 원자들의 움직임을 수반한다. 그것은 어떤 경우에는, 서로 다른 화학조성 또는 농도구배에 의존하는 열적으로 활성화되는 공정이다. 구배라는 단어는 주어진 성질의 변화를 주어진 방향의 거리의 함수로써 나타내는 것이다. 만약 재료가 x 방향으로 거리에 따라 농도의 직선적인 변화를 가진다면, x 방향으로의 농도구배라고 말한다. 구배 자체는 거리에 따른 농도의 변화 속도이다. 그것은 농도 대 위치 그래프의 기울기와 같다. 구배는 낮은 기울기를 가질 때 작고 가파른 기울기를 가질 때 크다고 표현한다.
농도구배가 존재할 때, 확산 방향은 구배 성질에 의해 조절된다. 농도 구배가 존재하지 않는 경우에, 원자의 움직임은 무질서하며, 이러한 현상을 자기확산이라 한다. 개개의 원자를 확인하고 그 움직임을 관찰할 수 있다면, 어떠한 순간에 어떠한 위치에서, 그리고 나중에는 다른 어떤 곳에서라도 그것을 찾을 수 있을 것이다. 농도 구배가 존재하는 경우처럼 명확한 확산의 방향이 정해진 경우가 아닌 환경하에서는 원자의 움직임은 무질서하다.
2. Fick's 확산 법칙
확산 과정은 다음 두 가지 형태로 나눌 수 있다. 안정상태와 불안정 상태 확산이 그것이다. 안정상태의 확산은 일정한 속도로 발생하는 확산이며, 그것은 확산이 일단 시작되면, 주어진 경계를 넘는 원자의 수가 시간에 따라 일정한 것이다. 불안정상태의 확산은 확산 속도가 시간의 함수인 시간의존성 공정이다. 두 가지 형태의 확산은 Fick's의 확산 법칙으로 설명할 수 있다. 첫 번째 법칙은 안정상태와 불안정상태의 확산 모두에 대한 것이며, 반면 두 번째 법칙은 불안정 상태의 확산을 다룬다.
3. 안정상태에서의 Fick's 제1 법칙
수소기체는 고체 백금 또는 팔라디움 박편을 통과할지도 모른다. 그러한 박편은 단지 수소만 통과할 수 있기 때문에 반투과성막이라 한다. 다른 기체들은 통과할 수 없다.
예를 들어 수소를 담고 있는 두 개의 매우 큰 기체 용기가 두께가 있는 팔라디움 막이 삽입된 관으로 연결되어 있다. 각 용기에서의 수소 농도는 일정하고 한쪽이 다른 한쪽의 수소 농도보다 높다면 수소는 Fick's의 제 1법칙에 의해 안정된 속도로 높은 곳에서 낮은 곳으로 확산된다. 확산 속도는 단위 시간당 계면을 가로질러 확산하는 원자 수이고, 확산계수의 단위는 cm2/sec로 나타낸다. 멤브레인 막을 통한 농도의 변화는 안정된 조건하에서는 직선으로 나타난다.