试比较均匀形核与非均匀形核的异同点,说明为什么非均匀形核往往比均匀形核更容易进行。

考查要点：本题主要考查对金属结晶过程中均匀形核与非均匀形核两种机制的理解，包括它们的异同点及非均匀形核更易进行的原因。

解题核心思路：

1. 明确两种形核方式的定义：均匀形核是在液相中无固相晶核的情况下自发形核，而非均匀形核依赖于已有固相晶核进行形核。
2. 比较关键参数：两种形核的临界形核半径相同，但临界形核功不同，非均匀形核的临界功更低。
3. 分析差异本质：非均匀形核利用固相晶核的规则排列，减少所需原子数，降低能量障碍。

破题关键点：抓住临界形核功和原子排列要求两个核心因素，结合固相晶核的“支撑作用”解释非均匀形核的优势。

相同点

1. 临界形核半径相同：两种形核方式均需形成临界尺寸的晶核，临界半径由液体表面能、体积自由能等决定，与是否存在固相无关。

不同点

1. 形核位置：
   • 均匀形核：在液相中无选择地随机形核。
   • 非均匀形核：依附于已有固相晶核表面形核。
2. 原子排列要求：
   • 均匀形核需所有原子从无序液体中形成规则排列，所需原子数更多。
   • 非均匀形核借助固相晶核的规则结构，只需补充少量原子即可达到临界尺寸。
3. 临界形核功：
   • 均匀形核的临界形核功为$\Delta G_{\text{crit}}^{\text{uniform}} = \frac{2}{3} \gamma^2 V_m^*$（$\gamma$为表面能，$V_m^*$为摩尔体积）。
   • 非均匀形核的临界形核功为$\Delta G_{\text{crit}}^{\text{non-uniform}} = \frac{2}{3} \gamma^2 V_m^* \cos\theta$（$\theta$为接触角），通常$\cos\theta \leq 1$，故非均匀形核功更低。

非均匀形核更易进行的原因

• 临界形核功更低：非均匀形核需克服的能量障碍更小。
• 原子排列更易实现：固相晶核的存在降低了原子排列的难度和数量要求。