扩散
kuò sàn
扩散是粒子从浓度较高区域向浓度较低区域移动、直至均匀分布的过程。
Definition
扩散是粒子自发地从拥挤的地方散布到不那么拥挤的地方的过程，不需要任何推动或泵送。它是指粒子由高浓度区域向低浓度区域的净移动，其驱动力是粒子的随机运动，这一过程会持续到各处浓度相同为止，尽管粒子本身仍在不停运动；在细胞中，氧气和二氧化碳等小分子正是通过简单扩散、不消耗能量地穿过细胞膜的。菲克第一定律描述了这一过程：通量与浓度梯度成正比，即$J = -D\,\frac{dC}{dx}$，其中$D$为扩散系数。扩散过一段距离$x$所需的特征时间与$x^2 / D$成正比，因此距离加倍，所需时间就变为原来的四倍。跨膜扩散的速率还取决于溶质的脂溶性和大小，极性或带电的溶质则需要借助通道蛋白或载体蛋白（协助扩散），但这仍然是一种被动过程，因为它们是顺着电化学梯度移动的。
Example
如果有人在房间的一角打开一瓶香水，香味很快就会传到房间的另一端，因为香水分子在空气中扩散开来。在静止的水中滴入一滴食用色素，色素会不断扩散，直到整杯水都均匀染上颜色；水温升高会加快这一过程，因为分子运动得更快，热水中几分钟就能完成，而冷水则需要长得多的时间。氧气在水中的扩散系数约为$D \approx 2 \times 10^{-9}\ \text{m}^2/\text{s}$，因此穿过一个$10\ \mu\text{m}$的细胞大约需要$x^2 / (2D) \approx (10^{-5})^2 / (4 \times 10^{-9}) \approx 0.025\ \text{s}$，但要扩散$1\ \text{cm}$的距离，则大约需要$7$小时，这正是为什么组织中的每个细胞都需要在约$100\ \mu\text{m}$范围内有毛细血管相伴的原因。
Key Insight
扩散正是氧气从你的肺部进入血液、再从血液进入细胞的方式；你身体的任何部位都不需要主动去推动它。扩散在极短的距离内速度很快，但在较长的距离上却非常缓慢，这正是细胞要保持微小、以及你的身体需要循环系统而不能仅仅依靠扩散的原因。扩散的驱动力是熵，而不是任何把粒子推开的力：每个粒子朝任意方向移动的概率都是相同的，只是拥挤一侧的粒子数量更多，因此从拥挤一侧移向稀疏一侧的粒子数，会多于反方向移动的粒子数。