Диффузия тела

Примеры диффузии в быту, в природе, в твердых телах. Примеры диффузии в окружающем мире

Диффузия тела

Видели ли вы когда-нибудь полчища мелких назойливых мошек, беспорядочно роящихся над головой? Иной раз кажется, что они как будто неподвижно висят в воздухе.

С одной стороны этот рой неподвижен, с другой — насекомые внутри него безостановочно движутся то вправо, то влево, то вверх, то вниз, постоянно сталкиваясь друг с другом и разлетаясь вновь в пределах этого облака, как будто невидимая сила удерживает их вместе.

Движения молекул носят похожий хаотичный характер, при этом тело сохраняет стабильную форму. Такое движение называется тепловым движением молекул.

Броуновское движение

В далеком 1827 году известный британский ботаник Роберт Броун при помощи микроскопа изучал поведение микроскопических частиц цветочной пыльцы в воде. Он обратил внимание на то, что частички постоянно двигались в хаотичном, не поддающемся логическому объяснению порядке, и это беспорядочное движение не зависело ни от движения жидкости, в которой они находились, ни от ее испарения.

Мельчайшие частички пыльцы описывали сложные, загадочные траектории. Интересно то, что интенсивность такого движения не снижается со временем и не связано с химическими свойствами среды, а только увеличивается, если уменьшается вязкость этой среды или размеры движущихся частиц.

Кроме этого, большое влияние на скорость движения молекул оказывает температура: чем она выше, тем частицы движутся быстрее.

Давным-давно люди поняли, что все вещества на свете состоят из мельчайших частиц: ионов, атомов, молекул, и между ними имеются промежутки, и эти частицы постоянно и хаотично движутся.

Следствием теплового движения молекул является диффузия. Примеры мы можем наблюдать практически везде в повседневной жизни: и в быту, и в живой природе. Это распространение запахов, склеивание различных твердых предметов, перемешивание жидкостей.

Говоря научным языком, диффузия — это явление проникновения молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого вещества.

Газы и диффузия

Самый простой пример диффузии в газах — это довольно быстрое распространение в воздухе запахов (как приятных, так и не очень).

Диффузия в газах может быть крайне опасной, из-за этого явления молниеносно протекает отравление угарным и другими ядовитыми газами.

Диффузия в жидкостях

Если диффузия в газах происходит быстро, чаще всего за считанные секунды, то диффузия в жидкостях занимает целые минуты и иногда даже часы. Это зависит от плотности и температуры.

Одним из примеров диффузии в жидкостях является очень быстрое растворение солей, спиртов и кислот, за короткое время образующих однородные растворы.

В твердых телах диффузия протекает труднее всего, при обычной комнатной или уличной температуре она незаметна. Во всех современных и старых школьных учебниках в качестве примера диффузии в твердых телах описан опыт со свинцовой и золотой пластинками.

Этот эксперимент показал, что только по прошествии более четырех лет в свинец проникло ничтожно малое количество золота, а свинец проник в золото на глубину не более пяти миллиметров.

Такое различие обусловлено тем, что плотность свинца намного выше плотности золота.

Следовательно, скорость и интенсивность диффузии не в последнюю очередь зависит от плотности вещества и скорости хаотичного движения молекул, а скорость, в свою очередь — от температуры. Диффузия интенсивнее и быстрее протекает при более высоких температурах.

Примеры диффузии в быту

Мы даже не задумываемся о том, что ежедневно практически на каждом шагу встречаем явление диффузии. Именно поэтому это явление считается одним из самых значительных и интересных в физике.

Один из простейших примеров диффузии в быту — растворение сахара в чае или кофе. Если в стакан с кипятком поместить кусочек сахара, он через некоторое время исчезнет бесследно, при этом даже объем жидкости практически не изменится.

Если внимательно осмотреться вокруг, можно найти немало примеров диффузии, облегчающих наш быт:

  • растворение стирального порошка, марганцовки, соли;
  • распыление освежителей воздуха;
  • аэрозоли для горла;
  • вымывание грязи с поверхности белья;
  • смешивание красок художником;
  • замешивание теста;
  • приготовление наваристых бульонов, супов, и подлив, сладких компотов и морсов.

В 1638 г., вернувшись из Монголии, посол Василий Старков преподнес русскому царю Михаилу Федоровичу в подарок почти 66 кг сушеных листьев, обладающих странным терпковатым ароматом. Это засушенное растение очень понравилось ни разу не пробовавшим его москвичам, и они его с удовольствием до сих пор употребляют. Узнали его? Конечно же, это чай, который заваривается благодаря явлению диффузии.

Примеры диффузии в окружающем мире

Роль диффузии в окружающем нас мире очень велика. Одним из важнейших примеров диффузии является кровообращение в живых организмах.

Кислород из воздуха проникает в капилляры крови, расположенные в легких, после этого растворяется в них и разносится по всему организму. В свою очередь углекислый газ диффундирует из капилляров в альвеолы легких.

Питательные вещества, выделяемые из пищи путем диффузии проникают в клетки.

У травянистых видов растений диффузия идет через всю их зеленую поверхность, у более крупных цветущих растений — через листья и стебли, у кустарников и деревьев — через трещины в коре стволов и веток и чечевички.

Кроме того, примером диффузии в окружающем мире является всасывание воды и растворенных в ней минералов корневой системой растений из почвы.

Именно диффузия является причиной того, что состав нижнего слоя атмосферы является неоднородным и состоит из нескольких газов.

К сожалению, в нашем несовершенном мире найдется совсем немного людей, которые не знают, что такое инъекция, также известная как «укол». Этот вид болезненного, но эффективного лечения также основан на явлении диффузии.

Загрязнение окружающей среды: почвы, воздуха, водоемов — это тоже примеры диффузии в природе.

Тающие в синем небе белые облака, так любимые поэтами всех времен — тоже она— известная каждому ученику средних и старших классов диффузия!

Итак, диффузия — это то, без чего жизнь наша была бы не просто труднее, а практически невозможной.

Источник: https://FB.ru/article/379084/primeryi-diffuzii-v-byitu-v-prirode-v-tverdyih-telah-primeryi-diffuzii-v-okrujayuschem-mire

Диффузия тела

Диффузия тела

Определение 1

Диффузия тела (рассеивание) является процессом, способствующим взаимному проникновению молекул (атомов) одного вещества между такими же частицами другого. В конечном итоге это будет выражаться в самопроизвольном выравнивании их концентраций по всему занимаемому объёму.

Бывают примеры, когда у одного из веществ уже присутствует выровненная концентрация и подразумевается диффузия одного вещества в другом. При этом перенос вещества будет осуществляться из области с высокой концентрацией в область с более низкой (то есть, в противоположном от направления вектора градиента концентрации).

Примеры диффузии тел

Диффузия может быть применима к телам жидкого, твердого или газообразного типа. В качестве ярких примеров диффузии тел выступают:

  • перемешивание газов (это может относиться, например, к распространению запахов);
  • перемешивание жидкостей (при попадании капли чернил в воду она полностью окрасится в этот цвет);
  • перемешивание на примере твердых тел (атомы соприкасающихся друг с другом металлов будут перемешиваться на границе соприкосновения).

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Существенное значение диффузия частиц будет иметь в физике плазмы. Сама скорость протекания диффузии будет зависимой от множества факторов. В случае металлического стержня, например, тепловая диффузия осуществляется на очень большой скорости. При условии изготовления стержня из синтетического материала, будет фиксироваться медленная скорость диффузии.

Еще более медленно процесс диффузии наблюдается в отношении одного твердого вещества в другое. При условии, что медь покрыта золотом, например, мы наблюдаем диффузию золота в медь. В то же время, при нормальном атмосферном давлении и комнатной температуре уже фиксируется очень медленный по времени процесс достижения золотосодержащего слоя толщины в несколько микронов (через тысячи лет).

Еще одним примером диффузии тел может быть наложении свинцового слитка на золотой. В результате, за период в 5 лет под весом свинца, золотой слиток прогнется на один сантиметр, что свидетельствует о проникновении одного тела в другое.

Поверхностная диффузия тел

Замечание 1

Поверхностная диффузия тел считается процессом, связанным (как и при объемной диффузии) с перемещением самих частиц (кластеров, молекул или же атомов), который выполняется на поверхности конденсированных тел в пределах первого поверхностного атомного (молекулярного) слоя или поверх этого слоя.

Способностью перемещений, благодаря поверхностной диффузии, обладают:

  • атомы, которые находятся в составе самого твёрдого тела;
  • адсорбированные частицы в виде кластеров, молекул или атомов.

Как правило, подвижность поверхностных частиц активизируется, благодаря воздействию случайных тепловых флуктуаций (обычно это могут быть молекулы или атомы). При условии присутствия градиента концентрации (поверхностная концентрация) случайное блуждание большого количества частиц спровоцирует их усредненное диффузионное движение в противоположном градиенту направлении.

На процесс диффузии воздействие оказывают разные факторы:

  • взаимодействие диффундирующих частиц;
  • формирование поверхностных фаз (реконструкций);
  • присутствие дефектов различного характера и др.

Поверхностная диффузия становится определяющей для процессов увеличения тонких плёнок, а также формирования наноструктур на поверхности спекания керамики.

Процесс диффузии в твердых телах

В условиях комнатной температуры, мы обычно не наблюдаем проявление диффузии в твердых телах. Очень тонкое по своей структуре покрытие одного металла другим будет сохраняться продолжительное время в практически неизменном состоянии.

При этом, если температура зафиксирована в несколько сот градусов, покрытия уже не будут сохраняться: диффузия провоцирует проникновение атомов покрытия вглубь подложки с заметной скоростью. Такое обстоятельство может применяться, например, в полупроводниковой технике с целью введения в полупроводник специальных легирующих примесей при условии температуры в несколько сотен градусов.

Механизм процессов диффузии в твердых телах лучше понимается при использовании информации об их кристаллической структуре. В состоянии равновесия атомы твердого тела осуществляют тепловые колебательные движения рядом с узлами кристаллической решетки.

Все узлы такой решетки в идеальной структуре твердого тела оказываются совершенно равнозначными, а сам процесс диффузии становится невозможным.

Наряду с тем, в реальном кристалле будет присутствовать (при заданной температуре) определенное число термических дефектов, проявляемых в виде нарушений кристаллической решетки.

В ситуации с повышением температуры кристалла, наблюдается возрастание равновесных концентраций вакансий, а также межузельных атомов, а в условии понижения температуры, начнет исчезать на стоках часть дефектов. Роль подобных стоков могут выполнять некоторые другие дефекты решетки, например, дислокации.

При таком дефекте структуры кристаллической решетки механизм диффузии в твердом теле становится понятным. Пусть в соседстве с расположенным в узле решетки атомом будет располагаться вакантный узел (дырка).

В таком случае колебательное движение атомов может спровоцировать перескакивание атома из узла решетки в вакантный узел на основании «вакансионного механизма диффузии». В отсутствие внешних сил процесс диффузии будет определяться неравновесной характеристикой образца (градиент температур, например). Каждой температуре при этом будет соответствовать определенное равновесное количество дырок:

$n_д = exp\left(\frac{-E_д}{kT}\right)$ где $E_д$ — энергия, требуемая для образования одной дырки.

При всех температурах, которые ниже точки плавления, равновесное количество дырок оказывается намного меньше, чем число в кристаллической решетке узлов, т.е.

$\frac{n_д}{N} = 1$

Рассмотрим случай воздействия на кристалл внешней силы (т.е. ионный кристалл в электрическом поле. Связь ионной электропроводности и коэффициента диффузии будет определять соотношение Эйнштейна:

$D = f\frac{\sigma kT}{Nq2}$, где:

  • $f$ — поправочный множитель;
  • $N$ —концентрация ионов.

Вышеуказанное соотношение понимается таким образом: при наложении электрического поля, а также присутствия градиента концентрации ионов в кристалле возникнет ток плотности:

$\sigma = {qN(x)B_и}$, где:

  • $\sigma$ — удельная электропроводность;
  • $B_и$ — подвижность ионов.

При условии статистического равновесия полный ток равнозначен нулю.

$E = \frac{-dU}{dx}$

где $U$ — потенциал электрического поля, при равновесии

${-qN(x)B_и}\frac{dU}{dx} = {qD}\frac{dN}{dx}$

Таким образом,

$D = {B_и}\frac{kT}{q} = \frac{\sigma kT}{Nq2}$

При этом в ионных кристаллах наблюдается отступление от простого соотношения коэффициента диффузии и удельной электропроводности. Именно по этой причине в соотношении будет содержаться поправочный множитель $f$. Так, при диффузии путем замещения вакансий коэффициент диффузии меченого атома будет зависимым от корреляции его скачков.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/diffuziya_tela/

Механизмы диффузии в клетке. Диффузия через белковые каналы

Диффузия тела

Диффузию через клеточную мембрану разделяют на два подтипа: простую диффузию и облегченную диффузию.

Простая диффузия означает, что кинетическое движение молекул или ионов происходит через отверстие в мембране или межмолекулярные пространства без какого-либо взаимодействия с мембранными белками-переносчиками.

Скорость диффузии определяется количеством вещества, скоростью кинетического движения, числом и размером отверстий в мембране, через которые могут перемещаться молекулы или ионы.

Облегченная диффузия требует взаимодействия с белком-переносчиком, который способствует транспорту молекул или ионов, связываясь с ними химически и в такой форме курсируя через мембрану.

Простая диффузия может происходить сквозь клеточную мембрану двумя способами: (1) через межмолекулярные промежутки липидного бислоя, если диффундирующее вещество растворимо в жирах; (2) через заполненные водой каналы, пронизывающие некоторые крупные транспортные белки, как показано на рис. 4-2 слева.

Диффузия жирорастворимых веществ через липидный бислой. Одним из наиболее важных факторов, определяющих скорость диффузии вещества через липидный бислой, является его растворимость в липидах.

Например, кислород, азот, углекислый газ и спирты имеют более высокую растворимость в липидах, поэтому могут непосредственно растворяться в липидном бислое и диффундировать через клеточную мембрану точно так же, как диффундируют водорастворимые вещества в водных растворах. Очевидно, что величина диффузии каждого из этих веществ прямо пропорциональна их растворимости в липидах.

Этим путем может транспортироваться очень большое количество кислорода. Таким образом, кислород может доставляться внутрь клеток практически так же быстро, как если бы клеточной мембраны не существовало.

Диффузия воды и других нерастворимых в жирах молекул через белковые каналы. Несмотря на то, что вода совсем не растворяется в липидах мембраны, она легко проходит через каналы в белковых молекулах, пронизывающих мембрану насквозь.

Поражает быстрота, с которой молекулы воды могут двигаться сквозь большинство клеточных мембран.

Например, общее количество воды, которое диффундирует в любом направлении через мембрану эритроцита в секунду, примерно в 100 раз больше, чем объем самой клетки.

Сквозь каналы, представленные белковыми порами, могут проходить и другие нерастворимые в липидах молекулы, если они растворимы в воде и достаточно малы. Однако увеличение размеров таких молекул быстро снижает их проникающую способность.

Например, возможность проникновения мочевины через мембрану примерно в 1000 раз меньше, чем воды, хотя диаметр молекулы мочевины всего на 20% больше диаметра молекулы воды.

Тем не менее, учитывая поразительную скорость прохождения воды, проникающая способность мочевины обеспечивает ее быстрый транспорт через мембрану в течение нескольких минут.

Диффузия через белковые каналы

Компьютерные трехмерные реконструкции белковых каналов продемонстрировали наличие трубчатых структур, пронизывающих мембрану насквозь — от внеклеточной до внутриклеточной жидкости.

Следовательно, вещества могут двигаться по этим каналам путем простой диффузии с одной стороны мембраны на другую.

Белковые каналы отличаются двумя важными особенностями: (1) они часто избирательно проницаемы для определенных веществ; (2) многие каналы могут открываться или закрываться с помощью ворот.

Избирательная проницаемость белковых каналов. Многие белковые каналы высокоизбирательны для транспорта одного или нескольких специфических ионов или молекул.

Это связано с собственными характеристиками канала (диаметром и формой), а также с природой электрических зарядов и химических связей выстилающих его поверхностей.

Например, один из важнейших белковых каналов — так называемый натриевый канал — имеет диаметр от 0,3 до 0,5 нм, но, что более важно, внутренние поверхности этого канала заряжены сильно отрицательно.

Эти отрицательные заряды могут затягивать мелкие дегидратированные ионы натрия внутрь каналов, фактически вытягивая эти ионы из окружающих их молекул воды. Оказавшись в канале, ионы натрия диффундируют в любом направлении согласно обычным правилам диффузии. В связи с этим натриевый канал специфически избирателен для проведения ионов натрия.

Эти каналы несколько меньше, чем натриевые каналы, их диаметр составляет лишь около 0,3 нм, однако они не заряжены отрицательно и имеют иные химические связи. Следовательно, нет выраженной силы, тянущей ионы внутрь канала, и ионы калия не освобождаются от их водной оболочки.

По размеру гидратированная форма иона калия значительно меньше гидратированной формы иона натрия, поскольку ион натрия притягивает гораздо больше молекул воды, чем ион калия.

Следовательно, более мелкие гидратированные ионы калия легко могут проходить через этот узкий канал, в то время как более крупный гидратированный ион натрия «выбраковывается», что и обеспечивает избирательную проницаемость для специфического иона.

— Также рекомендуем «Белковые каналы клетки. Воротный механизм белковых каналов»

Оглавление темы «Деление клеток. Транспортная функция мембран клеток»:
1. Регуляция функций клеток. Генетическая регуляция — промоутеры
2. Ферментативная регуляция функций клетки. Клеточное деление
3. Репликация ДНК. Ход репликации ДНК клетки
4. Хромосомы клетки. Митоз и его стадии
5. Регуляция деления клеток. Дифференциация клеток в тканях
6. Апоптоз. Озлокачествление клеток организма
7. Транпортные белки клеточной мембраны. Диффузия через клеточную мембрану
8. Механизмы диффузии в клетке. Диффузия через белковые каналы
9. Белковые каналы клетки. Воротный механизм белковых каналов
10. Облегченная диффузия в клетке. Регуляция диффузии

Источник: https://meduniver.com/Medical/Physiology/494.html

Обследование на клеточном уровне: диффузионно-взвешенная МРТ

Диффузия тела

08.12.2017

Программа общего исследования организма методом магнитно-резонансной томографии, которая позволяет получить диффузионно-взвешенные снимки всех тканей и органов – это процедура МРТ диффузии всего тела. Выясним, что представляет собой этот метод диагностики, чем отличается от классического МРТ-исследования, и в каких случаях его назначают.

Другой подход

Диффузионно-взвешенная МРТ (ДВ-МРТ) – это подвид магнитно-резонансной томографии, основанный на оценке происходящих в организме процессов на клеточном уровне.

В большей степени живые клетки состоят из воды, которой они обмениваются между собой. Молекулы воды содержатся и в межклеточном пространстве.

Они постоянно передвигаются и проникают через мембрану то в клетку, то из нее. Процесс такого перехода называется диффузией.

В норме обмен молекулами воды происходит определенным образом. При патологиях органов и тканей диффузия нарушается: клетки отдают воду в межклеточное пространство медленнее, чем получают извне. В результате они набухают и деформируются.

Возможна и обратная ситуация, когда водяных молекул уходит из клетки больше, чем приходит в нее. Диффузионная МР-томография фиксирует показатели диффузии всех тканей и органов организма, а специалист оценивает их и сравнивает с нормой.

Чем больше воды в клетках и тканях – тем четче будет картина.

Диагностические возможности метода

Результат общей диффузионно-взвешенной МР-томографии – это трехмерное изображение всего тела, собранное из нескольких тысяч снимков. Оно ценно для специалистов из различных областей медицины, так как дает информацию о состоянии всех органов и тканей человека. Благодаря диффузионной МРТ диагностируют:

  • патологические процессы (воспаления, некроз, тромбоз и другие);
  • аномалии в строении органов;
  • доброкачественные новообразования и раковые опухоли.

Участки тела с отличной от нормы диффузией станут показанием для повторного применения ДВ МРТ в целях детального изучения «интересной» области. Например, диффузионное обследование головного мозга будет информативнее, чем ДВ-сканирование всего тела, так как исследуемая зона меньше по размерам.

Показания к проведению ДВ-МРТ

Диффузионная МР-томография назначается для подтверждения или опровержения предполагаемого или уточнения уже поставленного диагноза. Процедура показана в следующих случаях:

  • Диагностика инсультов и инфарктов.
  • Подозрение на раковую опухоль.
  • Подозрение на метастазирование.
  • Оценка эффективности проводимого лечения онкологии.

Диффузионная МР-томография отчетливо визуализирует лимфатическую систему человека. Поэтому данный метод диагностики самый эффективный в выявлении опухолей в лимфоузлах – лимфом.

Чтобы сделать диффузию всего тела необязательно иметь показания. Процедуру можно провести в целях общего обследования. Достаточно прийти в любую клинику, где предлагают МРТ-диагностику, и воспользоваться соответствующими услугами.

Противопоказания, ограничения, методика проведения

Противопоказания к проведению диффузионной МРТ-диагностики такие же, как и у классического варианта исполнения магнитно-резонансной томографии:

  • Наличие кардиостимулятора (во время процедуры возможно нарушение его работы, что несет риск для жизни пациента).
  • Электронное устройство, имплантированное в среднее ухо (аппарат может выйти из строя, потребуется его замена).
  • Беременность в 1 триместре (во 2 и 3 триместрах диффузия всего тела не противопоказана).
  • Масса тела от 130 кг (томограф рассчитан на установленный производителем техники максимум нагрузки).
  • Клаустрофобия, другие состояния и болезни пациента, мешающие сохранять во время диагностики неподвижность (допустимо проведение диффузионной МР-томографии при условии введения больного в наркоз).

Перед процедурой необходимо снять все, что содержит металл. Если есть металлические несъемные предметы (зубные имплантаты, мосты, коронки, брекеты, спицы), то диффузию можно сделать, только если их материал не включает в себя ферромагнетики. Иначе диагностика потеряет свой смысл: информативность будет мала вследствие искажения данных из-за взаимодействия металла с магнитным полем томографа.

Способ проведения МРТ-диффузии:

  1. Пациент снимает одежду с металлической фурнитурой, кольца, пирсинг и другие вещи с содержанием металла и ложится на стол томографа.
  2. При необходимости пациенту делают седацию или вводят его в медикаментозный сон.
  3. Стол аппарата задвигают в тоннель.
  4. Специалист включает диффузионно-взвешенный режим сканирования, и аппарат выполняет снимки.
  5. После окончания сканирования стол выдвигают, и пациент может покинуть МРТ-кабинет.

Процедура диффузионной МРТ длится 40-90 минут. За это время томограф делает тысячи снимков, которые компьютер собирает в единое изображение. Этот метод диагностики не требует контрастирования, так как четкость картинки достигается различными показателями диффузии в организме.

С помощью диффузионной МРТ-томографии сканируется организм полностью и выявляются области с нарушенным обменом воды между клетками тканей и внутренних органов.

С такими результатами диагностики можно пойти к любому врачу, который при необходимости назначит дополнительное исследование.

Обследование всего тела – это способ предотвратить развитие опасных для жизни заболеваний или обнаружить их на ранней стадии, когда лечение будет наиболее эффективно.

Обследование на клеточном уровне: диффузионно-взвешенная МРТ Ссылка на основную публикацию

Источник: https://diagme.ru/mrt/obshie-svedeniya/diffuziya

Booksm
Добавить комментарий