רלקסציה

רלקסציה (בעברית: תפוגה‏) בפיזיקה ובכימיה פיזיקלית היא תהליך בו מערכת מעוררת או מופרעת באופן אחר משיווי משקל, חוזרת למצב של שיווי משקל.‏
המאפיין העיקרי המשותף לתהליכי רלקסציה שונים הוא זמן הרלקסציה - הזמן האופייני שלוקח למערכת לחזור למצב של שווי משקל, ומסומן בדרך כלל במשוואות ב-\ \tau. זמן הרלקסציה מוגדר כזמן שלוקח לגודל הנמדד להגיע לערך של אחד חלקי e מערכו ההתחלתי.
רלקסציה היא מונח הכולל תהליכים רבים בטבע. חומרים ויסקואלסטיים כמו מסטיק שנמתחים בפתאומיות נוטים לחזור למצבם הרפוי עם זמן רלקסציה אופייני של מספר שניות. קבל טעון נוטה לפרוק את המטען החשמלי בתפוגה האופיינית למעגל RC. דיפולים חשמליים בחומר נוטים להסתובב בהשפעת קרינה אלקטרומגנטית בזמנים אופייניים של ‎10⁻¹⁵‎ שניות ועד מספר שניות.

סוגי רלקסציות

רלקסצית תהודה מגנטית גרעינית (NMR Relaxation)- במדידות תהודה מגנטית גרעינית רלקסציה היא התהליך בו הספין הגרעיני חוזר להתפלגות שיווי המשקל התרמודינמי שלו עם הסביבה.
רלקסצית דיפול (Dipole relaxation)-התהליך בו מולקולות בעלות דיפול קבוע חוזרות לאחר הפרעה לסדר שמאפיין אותן בשיווי משקל תרמודינמי עם הסביבה. כלומר צפיפותם והתפלגות כיווני וקטור הדיפול חוזרים לצורה המאפיינת אותם בשיווי משקל תרמודינמי עם הסביבה.ניתן להבחין בתופעה זאת בעזרת מדידות עכבה חשמלית שם ההפרעה היא הפעלת מתח חליפין.
רלקסציה יונית (Ionic relaxation)- רלקסציה יונית מורכבת ממוליכות יונית, מוליכות פני השטח (מתייחס למצב בו יונים ספוחים לפני שטח מוצקים), ופיזור מטען. התהליך בו אלו חוזרים לרמתם והתפלגותם בשיווי משקל תרמודינמי עם הסביבה לאחר הפרעה הוא רלקסציה יונית. גם בתופעה זו ניתן להבחין בעזרת מדידות עכבה חשמלית.
רלקסציה דיאלקטרית (Dielectric relaxation)- היא התוצאה הכוללת של רלקסצית דיפול ורלקסציה יונית הגוררות שינוי בערכו של המקדם הדיאלקטרי. התהליך בו ערך זה חוזר לרמתו האופיינית בשיווי משקל תרמודינמי עם הסביבה לאחר הפרעה הוא רלקסציה דיאלקטרית.גם בתופעה ניתן להבחין בעזרת מדידות עכבה חשמלית.
למעשה ניתן להגדיר רלקסציה לכל גודל תרמודינמי, כך קיימת גם רלקסצית ספין אלקטרוני‏, או רלקסצית ספין אלקטרוני-פונון‏ ועוד.

המאפיינים של רלקסציה

ישנם מקרים בהם רלקסציה היא תהליך המתקדם באופן מעריכי‏, במקרים אלו ניתן להגדיר "זמן רלקסציה" בתור הזמן שחלף מתחילת הרלסציה עד שהערך המתפוגג קטן פי בסיס הלוגריתם הטבעי e. לדוגמה: במקרה של רלקסצית דיפול, נניח כי ברגע תום ההפרעה 80% מהדיפולים היו במצב מופרע, זמן הרלקסציה האופייני יהיה אם כן הזמן שיחלוף עד שערך זה יקטן פי e, כלומר עד הרגע בו 29.43% מהדיפולים יהיו מופרעים.
מקרה של רלקסציה מעריכית המשמש מודל לרלקסציות אחרות‏ הוא פריקה של קבל. שם ניתן להוכיח בעזרת חוקי קירכהוף כי קצב הפריקה הוא מעריכי, והזמן האופייני לפריקה הוא מכפלת התנגדות המעגל בקיבול הקבל, גודל זה מוכר גם בקבוע הזמן של המערכת.‏
עם זאת לא כל הרלקסציות מתקדמות באופן מעריכי‏. אבל כל עוד התקדמות הרלקסציה היא מונוטונית הגדרה זה עשויה להיות תקפה.‏ לתהליכים לא מונוטוניים, אין מגדירים זמן רלקסציה.

הגורמים המשפיעים על רלקסציה

מאחר שרלקסציה עוסקת בעיקר בהתפלגות גדלים כמוסבר לעיל- ניתן להיעזר בפונקציות ההתפלגות המקובלות בטבע לחישוב גדלים הקשורים לרלקסציה, כגון זמן הרלקסציה. התפלגות רלוונטית אחת היא התפלגות מקסוול בולצמן הנכונה לגדלים וקטוריים המתפלגים נורמלית. התפלגות שנייה היא התפלגות התפלגות בוז-איינשטיין הנכונה לבוזונים, כמו גם התפלגות פרמי-דיראק הנכונה דווקא לפרמיונים.
הגם שהתפלגיות אלו עוסקת רק במצב שיווי משקל ולא בהגעה עליו, ניתן למצער להבין מהם כי זמן התפוגה יהיה קשור לאנרגיית האצורה בהפרעה ורמת האנרגיה של מצב שיווי המשקל התרמודינמי. חישוב א-פריורי של זמן התפוגה, גם במצב בו שני אלו ידועים הוא נושא למחקרים רבים, ונכון לעכשיו אין אלגוריתם ריגורוזי לעשות זאת, אלא רק שיטות הערכה.‏