固体物理中扩散方程两种边界条件的求解

固体物理中一维扩散方程的泛定方程为
第一类边界条件为在单位面积上有个粒子欲向晶体内部单方向扩散,即
而且时间足够长时,晶体内部的扩散粒子总数为 ,满足这些条件的扩散方程的解为

第二类边界条件为扩散粒子在晶体表面维持一个不变浓度 ,即
在此条件下扩散方程的解为

在许多固体物理教材中都给出了以上结果,但它们都没有给出具体的证明过程,本文给出在这两个条件下对扩散方程的求解过程.

第一类边界条件的求解
由泛定方程和边界条件可得到定解问题:
这是半无界问题,最方便的方法是傅里叶积分变换法.
将泛定方程左右两边同乘并对
积分
其中
粒子扩散不到无穷远处,即
且
即泛定方程在傅里叶变换下变为了常微分方程
由边界条件,不妨对边界条件作偶延拓,边界条件可表示为(贡献一个
,
贡献一个
,一共为
对上式作傅里叶变换
其中为
的傅里叶变换,则
的微分方程与上式组成的定解问题的通解为
再进行傅里叶逆变换
交换积分次序
为了求出上述积分,我们先考察如下形式的积分
为了求解上述积分,令,有
其中
运用上述公式,我们就能得到前面积分的结果,令
积分中的
积分化为
这就是扩散方程在第一轮边界条件下的求解.

第二类边界条件的求解
对于第二类边界条件的求解,在梁昆淼教授所著《数学物理方法 》 §13.1 的例5进行了详细的求解,原文如下



