晋宏营

气体分子扩散的蒙特卡罗模拟

晋宏营

（榆林学院能源工程学院，陕西，榆林 719000）

使用蒙特卡罗方法，对气体分子在背景气体中扩散的过程进行了计算机模拟，背景气体均匀分布于三维无界空间中。模拟结果显示，气体分子的扩散是各向同性的，扩散经历的时间越长，分子分布的范围越大，分子扩散的方均位移与时间成正比关系。使用本文的模拟方法还可估算气体扩散系数的数量级，对1标准大气压下、15°C时氧气的自扩散系数，以及氧气在氮气中的互扩散系数进行了估算，得到的扩散系数数量级与实验测量结果符合得很好。

蒙特卡罗方法；计算机模拟；扩散系数；方均位移

0 引言

当物质中粒子数密度不均匀时，由于分子无规则热运动，粒子将从数密度高的地方迁移到数密度低的地方，这类现象叫做扩散[1]。扩散现象在自然界中广泛存在，气体、液体和固体中都可以进行。对扩散现象的研究不仅在物理学中，而且在化学和生物学等学科中都具有重要意义，例如，生物体肺泡中的氧转移到毛细血管中，毛细血管中的CO2进入肺泡，就是通过扩散来进行的[1]。本文主要研究气体的扩散，使用蒙特卡罗方法模拟了气体分子的扩散过程，研究了扩散中分子的方均位移与时间的关系，并用模拟结果估算了气体扩散系数的数量级。

蒙特卡罗方法又称为随机取样法，是利用随机数的统计规律来进行计算和模拟的方法[2]。近年来，随着计算机的高速发展和普及，蒙特卡罗方法在很多领域得到广泛应用[3-5]。……