Դիֆուզիա

Վիքիպեդիայից՝ ազատ հանրագիտարանից

Դիֆուզիա (լատ.՝ diffusio—տարածում, ընդարձակում), շփվող նյութերի փոխադարձ ներթափանցումը մասնիկների ջերմային շարժման հետևանքով։ Հատուկ է գազերին, հեղուկներին և պինդ մարմիններին։ Դիֆուզիան ընթանում է կոնցենտրացիայի նվազման ուղղությամբ։ Մասնիկների տեղափոխությունը կոնցենտրացիաների տարբերության ազդեցությամբ կոչվում է դիֆուզիոն հոսք, որ չափվում է դիֆուզիայի ուղղությանը ուղղահայաց մակերեսով անցնող դիֆուզվող մասնիկների քանակով։

Ընդհանուր նկարագրություն[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Գազերում տեղի ունեցող բախումների հետևաևքով դիֆուզվող մասնիկներից յուրաքանչյուրն անընդհատ փոխում է շարժման ուղղությունը և արագությունը ու թողնում զիգզագաձև հետագիծ։ Անկանոն շարժման պատճառով մասնիկի տեղափոխությունն ավելի փոքր է, քան բեկյալով անցած ճանապարհը։ Մասնիկների դիֆուզիոն ներթափանցման արագությունը փոքր է ազատ շարժման արագությունից (օրինակ, հոտի դիֆուզիոն տարածման արագությունը շատ ավելի փոքր է մոլեկուլների շարժման արագությունից)։

Դիֆուզիայի գործակից[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Մասնիկի տեղափոխությունը ժամանակից կախված փոփոխվում է պատահականորեն, իսկ քառակուսային միջինը՝ L², մեծ թվով բախումների դեպքում աճում է ժամանակամիջոցին համեմատական․ L2 ~ Dt

որտեղ D-ն կոչվում է դիֆուզիայի գործակից։ Այս առնչությունը ստացել է Ալբերտ Այնշտայնը։

Դասական և անոմալ դիֆուզիա[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Դիֆուզիաան լինում է դասական և անոմալ։

Անոմալ դիֆուզիաի դեպքում մասնիկների միջին քառակուսային տեղափոխությունը դադարում է ուղիղ համեմատական լինել ժամանակից, խախտվում է Ա. Էյնշտեյնի առնչությունը։ Այդ դեպքում կախվածությունը նկարագրվում է աստիճանային օրենքով՝ L2 ~ Dtα[1][2]։ α = 1 դեպքը համապատասխանում է դասական դիֆուզիային։ α < 1 դեպքը կոչվում է սուբդիֆուզիա (sub-diffusion), որի դեպքում դիֆուզիան դանդաղ է ընթանում։ α > 1 դեպքում, ֆենոմենը կոչվում է սուպերդիֆուզիա (super-diffusion) կամ Լեվիի թռիչք։

Անոմալ դիֆուզիան հայտնաբերված է տարբեր համակարգերում, մասնաորապես ծակոտկեն միջավայրերում (porous media), գեոֆիզիկայում[3][4][5], բջջում սպիտակուցների դիֆուզիայի ժամանակ[6], ուլտրա - սառը ատոմներում[7] և այլ համակարգերում։

Դիֆուզիան տարբեր նյութերում[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Հեղուկներ[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Հեղուկներում, մոլեկուլների ջերմային շարժման բնույթին համապատասխան, դիֆուզիան ընթանում է մոլեկուլների ցատկով՝ հավասարակշռության մի վիճակից մյուսը։ Յուրաքանչյուր ցատկին անհրաժեշտ էներգիան պետք է բավարար լինի հարևան մոլեկուլների ձգողությունը հաղթահարելու և էներգետիկ տեսակետից նոր, հարմար դիրք գրավելու համար։ Ցատկի հեռավորությունը միջին հաշվով չի գերազանցում միջմոլեկուլային հեռավորությունը։ Հեղուկի մասնիկների դիֆուզիոն շարժման համար կիրառելի է Ա․ Էյնշտեյնի մյուս՝ D~ukT առնչությունը k-ն Բոլցմանի հաստատունն է T-ն՝ բացարձակ ջերմաստիճանը, ս-ն՝ դիֆուզվող մասնիկների շարժունությունը, այսինքն՝ մասնիկի շարժման արագության (с) ն շարժիչ ուժի (F) համեմատականության գործակիցը (c=uF)։

Պինդ մարմիններ[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Պինդ մարմիններում դիֆուզիայի ընթացքը պայմանավորող հիմնական մեխանիզմները երեքն են բյուրեղային ցանցում հարևան ատոմների տեղերի փոխանակում, հանգույցում գտնվող ատոմի տեղափոխությունը միջհանգուցային տարածություն, հանգույցներում գտնվող ատոմների տեղափոխությունը չզբաղված հանգույցներ (թափուր տեղեր)։ Պինդ մարմիններում դիֆուզիայի փորձառական ուսումնասիրության ժամանակ նյութերը դրվում են հուսալի կոնտակտի մեջ և երկար ժամանակ պահվում այս կամ այն ջերմաստիճանում։ Այնուհետև դիֆուզիայի ուղղությանն ուղղահայաց հաջորդաբար կտրում են բարակ շերտեր և ուսումևասիրում դիֆուզվող նյութի խտությունը։ Պինդ մարմիններում դիֆուզիայի գործակցի համար խիստ բնութագրական է կտրուկ (Էքսպոնենտային) կախումը ջերմաստիճանից։ Այսպես, ջերմաստիճանը 20°-ից մինչև 300 °C բարձրացնելիս պղնձի մեջ ցինկի դիֆուզիայի գործակիցը աճում է 1014 անգամ։ Բայց քանի որ պինդ մարմիններում մեծ էներգիայով մասնիկների թիվը քիչ է (եթե, իհարկե, ջերմաստիճանը շատ ցածր է հալման ջերմաստիճանից), ապա դիֆուզիան, ավելի դանդաղ է ընթանում, քան գազերում կամ հեղուկներում։

Կենսաբանական համակարգեր[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Կենսաբանական համակարգերում դիֆուզիան կարևոր դեր է կատարում բույսերի և կենդանիների հյուսվածքներում, բջիջների կենսագործունեության պրոցեսներում (օրինակ, թթվածնի դիֆուզիան թոքերից արյան մեջ և արյունից դեպի հյուսվածքները, մարսողական նյութերի ներծծումը աղիքներից և այլն)։ Բջջաթաղանթի միջով իոնների դիֆուզման տարբեր արագությունը ֆիզիկական գործոններից մեկն Է, որն ազդում է օրգանիզմի բջիջներում տարրերի ընտրողական կուտակման վրա։

Տես նաև[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Ծանոթագրություններ[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

  1. Ben-Avraham, Havlin (2000). Diffusion and Reactions in Fractals and Disordered Systems. Cambridge University Press.
  2. S. Havlin, D. ben-Avraham (2002). "Diffusion in disordered media". Adv. Phys. 51: 187. Bibcode:2002AdPhy..51..187H. doi:10.1080/00018730110116353.
  3. J. Klafter, A. Blumen, G. Zumofen, M.F. Shlesinger, Physica 168A (1990) 637
  4. A. Ott, J.-P. Bouchaud, D. Langevin, W. Urbach, Phys. Rev. Lett. 65 (1990) 2201
  5. M. Sahimi, Phys. Rep. 306 (1998) 214
  6. M. Weiss, M. Elsner,F. Kartberg,T. Nilsson, Anomalous Subdiffusion Is a Measure for Cytoplasmic Crowding in Living Cells,Biophys J. Nov 2004; 87(5): 3518–3524.
  7. Sagi, Yoav; Brook, Miri; Almog, Ido; Davidson, Nir (2012). "Observation of Anomalous Diffusion and Fractional Self-Similarity in One Dimension". Physical Review Letters 108 (9). arXiv:1109.1503. Bibcode:2012PhRvL.108i3002S. doi:10.1103/PhysRevLett.108.093002. ISSN 0031-9007.
Այս հոդվածի կամ նրա բաժնի որոշակի հատվածի սկզբնական կամ ներկայիս տարբերակը վերցված է Քրիեյթիվ Քոմմոնս Նշում–Համանման տարածում 3.0 (Creative Commons BY-SA 3.0) ազատ թույլատրագրով թողարկված Հայկական սովետական հանրագիտարանից  (հ․ 3, էջ 421 CC-BY-SA-icon-80x15.png