Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Для метастабильности в цифровой электронике см. Метастабильность (электроника) .
Метастабильное состояние более слабой связи (1), переходная «седловая» конфигурация (2) и стабильное состояние более сильной связи (3).

В физике , метастабильность является стабильным состояние динамической системы , отличной от системы состояние наименьшей энергии . Шар, лежащий в дупле на склоне, - простой пример метастабильности. Если толкнуть мяч лишь слегка, он вернется в свое углубление, но при более сильном толчке мяч может скатиться по склону. Кегли для боулинга демонстрируют аналогичную метастабильность, либо просто покачиваясь на мгновение, либо полностью опрокидываясь. Типичный пример метастабильности в науке - изомеризация . Изомеры с более высокой энергией являются долгоживущими, поскольку им не позволяют перестраиваться в их предпочтительное основное состояние из- за (возможно, больших) барьеров в потенциальной энергии.

Во время метастабильного состояния конечного времени жизни все параметры, описывающие состояние, достигают и сохраняют стационарные значения. В изоляции:

  • состояние наименьшей энергии - единственное, в котором система будет находиться в течение неопределенного промежутка времени, пока к системе не будет добавлено больше внешней энергии (уникальное «абсолютно стабильное» состояние);
  • система самопроизвольно покидает любое другое состояние (с более высокой энергией), чтобы в конечном итоге вернуться (после последовательности переходов) в состояние с наименьшей энергией.

Концепция метастабильности зародилась в физике фазовых переходов первого рода . Затем он приобрел новое значение при изучении агрегированных субатомных частиц (в атомных ядрах или в атомах) или в молекулах, макромолекулах или кластерах атомов и молекул. Позже он был заимствован для исследования систем принятия решений и передачи информации.

Метастабильность обычна в физике и химии - от атома (многочастичная сборка) до статистических ансамблей молекул (вязкие жидкости, аморфные твердые тела , жидкие кристаллы, минералы и т. Д.) На молекулярных уровнях или в целом (см. Метастабильные состояния вещества. и груды зерна внизу). Обилие состояний преобладает по мере роста систем и / или если силы их взаимного взаимодействия пространственно менее однородны или более разнообразны.

В динамических системах (с обратной связью ), таких как электронные схемы, передача сигналов, системы принятия решений и нейробиология, неизменность во времени активных или реактивных паттернов по отношению к внешним воздействиям определяет стабильность и метастабильность (см. Метастабильность мозга ниже). В этих системах эквивалентом тепловых флуктуаций в молекулярных системах является «белый шум», который влияет на распространение сигнала и принятие решений.

Статистическая физика и термодинамика [ править ]

Неравновесная термодинамика - это раздел физики, изучающий динамику статистических ансамблей молекул через нестабильные состояния. «Застревание» в термодинамической впадине, не находящееся в состоянии с наименьшей энергией, известно как наличие кинетической стабильности или кинетической стойкости. Конкретное движение или кинетика задействованных атомов привело к застреванию, несмотря на то, что существуют предпочтительные (с меньшей энергией) альтернативы.

Состояния вещества [ править ]

Метастабильные состояния вещества (также называемые метастатами ) варьируются от плавления твердых тел (или замерзающих жидкостей), кипящих жидкостей (или конденсирующихся газов) и сублимации твердых тел до переохлажденных жидкостей или перегретых жидкостей с газом. Чрезвычайно чистая, переохлажденная вода остается жидкостью при температуре ниже 0 ° C и остается таковой до тех пор, пока приложенные вибрации или конденсационное легирование затравки не инициируют центры кристаллизации . Это обычная ситуация для капель атмосферных облаков.

Конденсированные вещества и макромолекулы [ править ]

Метастабильные фазы широко используются в конденсированных средах и кристаллографии. Примечательно, что это относится к анатазу , метастабильному полиморфу диоксида титана , который, несмотря на то, что обычно является первой фазой, образующейся во многих процессах синтеза из-за более низкой поверхностной энергии , всегда метастабилен, причем рутил является наиболее стабильной фазой при всех температурах и давления. [1] В качестве другого примера, алмаз является стабильной фазой только при очень высоких давлениях, но является метастабильной формой углерода при стандартной температуре и давлении . Его можно преобразовать в графит (плюс оставшаяся кинетическая энергия), но только после преодоления энергии активации.- промежуточный холм. Мартенсит - это метастабильная фаза, используемая для контроля твердости большинства сталей. Метастабильные полиморфные из диоксида кремния обычно наблюдаются. В некоторых случаях, например, в случае аллотропов твердого бора , получение образца стабильной фазы затруднено. [2]

Связи между строительными блоками полимеров, такими как ДНК , РНК и белки , также являются метастабильными. Аденозинтрифосфат - это высоко метастабильная молекула, в просторечии описываемая как «полная энергии», которую можно во многих отношениях использовать в биологии. [3]

Вообще говоря, эмульсии / коллоидные системы и стекла метастабильны, например, метастабильность кварцевого стекла характеризуется временем жизни порядка 10 98 лет [4] по сравнению со временем жизни Вселенной, которое составляет около 14 · 10 9 лет.

Песчаные насыпи - одна из систем, которые могут проявлять метастабильность при наличии крутого склона или туннеля. Зерна песка образуют груду из-за трения . Возможно, что вся большая куча песка достигнет точки, в которой она станет устойчивой, но добавление единственного зерна вызывает обрушение больших ее частей.

Лавина является хорошо известной проблемой с большими грудами снега и кристаллы льда на крутых склонах. В засушливых условиях снежные склоны действуют аналогично песчаным насыпям. Весь снежный склон горы может внезапно соскользнуть из-за присутствия лыжника или даже из-за громкого шума или вибрации.

Квантовая механика [ править ]

Обнаружено, что агрегированные системы субатомных частиц, описываемые квантовой механикой ( кварки внутри нуклонов , нуклоны внутри атомных ядер , электроны внутри атомов , молекулы или атомные кластеры ), имеют много различимых состояний. Одно из них (или небольшое вырожденное множество ) бесконечно устойчиво: основное состояние или глобальный минимум .

Все другие состояния, кроме основного (или вырожденных с ним), имеют более высокие энергии. [5] Из всех этих других состояний метастабильные состояния - это те, время жизни которых по крайней мере в 10 2 - 10 3 раз больше, чем у самых короткоживущих состояний множества. [ необходима цитата ]

В этом случае метастабильное состояние является долгоживущим (локально устойчивым по отношению к конфигурациям «соседних» энергий), но не вечным (как глобальный минимум ). Будучи возбужденным - с энергией выше основного состояния - он в конечном итоге распадется до более стабильного состояния, высвобождая энергию. Действительно, выше абсолютного нуля все состояния системы имеют ненулевую вероятность распада; то есть самопроизвольно перейти в другое состояние (обычно более низкое по энергии). Один из механизмов этого - туннелирование .

Ядерная физика [ править ]

Некоторые энергетические состояния атомного ядра (с различными пространственными распределениями массы, заряда, спина, изоспина ) намного более долговечны, чем другие ( ядерные изомеры того же изотопа ), например технеций-99m . [6] Изотоп тантала-180m , хотя и является метастабильным возбужденным состоянием, является достаточно долгоживущим, поэтому его распад никогда не наблюдался, с расчетным периодом полураспада как минимум4,5 × 10 16 лет, [7] [8] более чем в 3 миллиона раз больше нынешнего возраста Вселенной .

Атомная и молекулярная физика [ править ]

Некоторые уровни атомной энергии метастабильны. Ридберговские атомы являются примером метастабильных возбужденных состояний атомов. Переходы с метастабильных возбужденных уровней обычно запрещены электрическими дипольными правилами отбора . Это означает, что любые переходы с этого уровня относительно маловероятны. В некотором смысле электрон, оказавшийся в метастабильной конфигурации, оказывается в ловушке там. Конечно, поскольку переходы из метастабильного состояния не являются невозможными (просто менее вероятными), электрон в конечном итоге распадется в менее энергичное состояние, как правило, за счет электрического квадрупольного перехода или часто за счет безызлучательного девозбуждения (например, столкновительное деформирование). -возбуждение).

Это свойство медленного распада метастабильного состояния проявляется в фосфоресценции , типе фотолюминесценции, наблюдаемой в светящихся в темноте игрушках, которые можно заряжать, предварительно подвергнув их воздействию яркого света. В то время как спонтанное излучение в атомах имеет типичный временной масштаб порядка 10-8 секунд, распад метастабильных состояний обычно может длиться от миллисекунд до минут, поэтому свет, излучаемый при фосфоресценции, обычно бывает слабым и продолжительным.

Химия [ править ]

Смотрите также: Химическая стабильность и химическое равновесие § Метастабильные смеси

В химических системах система атомов или молекул, включающая изменение химической связи, может находиться в метастабильном состоянии, которое сохраняется в течение относительно длительного периода времени. Молекулярные колебания и тепловое движение делают химические соединения на энергетическом эквиваленте вершины круглого холма очень недолговечными. Метастабильные состояния, которые сохраняются в течение многих секунд (или лет), обнаруживаются в энергетических долинах, которые не являются самой нижней возможной долиной (точка 1 на иллюстрации). Распространенный тип метастабильности - изомерия .

Стабильность или метастабильность данной химической системы зависит от окружающей среды, особенно от температуры и давления . Разница между получением стабильной и метастабильной сущностей может иметь важные последствия. Например, наличие неправильного кристаллического полиморфа может привести к неэффективности лекарственного средства при хранении между производством и введением. [9] Карта наиболее стабильного состояния в зависимости от давления, температуры и / или состава называется фазовой диаграммой . В регионах, где конкретное состояние не самое стабильное, оно все еще может быть метастабильным. Промежуточные продукты реакцииотносительно недолговечны и обычно термодинамически нестабильны, а не метастабильны. ИЮПАК рекомендует ссылаясь на них как переходная , а не метастабильной. [10]

Метастабильность также используется для обозначения конкретных ситуаций в масс-спектрометрии [11] и спектрохимии. [12]

Сетевая метастабильность [ править ]

Теория метастабильности и гистерезиса, а также моделирование сетевых структур изучались Majdandzic et al. [13] Кроме того, гистерезис в связанных системах был изучен Majdandzic et al. [14] Признаки сетевого гистерезиса и метастабильности в городском движении были обнаружены Zeng et al. [15]

Электронные схемы [ править ]

Предполагается, что цифровая схема находится в небольшом количестве стабильных цифровых состояний в течение определенного промежутка времени после изменения входа. Однако, если вход изменяется в неподходящий момент, цифровая схема, использующая обратную связь (даже простая схема, такая как триггер ), может войти в метастабильное состояние и занять неограниченное время, чтобы окончательно перейти в полностью стабильное цифровое состояние.

Вычислительная неврология [ править ]

Метастабильность в головном мозге - это явление, изучаемое вычислительной нейробиологией с целью выяснения того, как человеческий мозг распознает закономерности. Здесь термин «метастабильность» используется довольно свободно. Нет состояния с более низкой энергией, но в мозгу есть полупереходные сигналы, которые сохраняются в течение некоторого времени и отличаются от обычного состояния равновесия.

См. Также [ править ]

  • Ложный вакуум
  • Гистерезис
  • Метастат

Ссылки [ править ]

  1. ^ Обзор превращения анатаза в рутил в Журнале материаловедения 2011
  2. ^ ван Сеттен; Uijttewaal; де Вийс; де Гроот (2007). «Термодинамическая стабильность бора: роль дефектов и нулевого движения» (PDF) . JACS . 129 (9): 2458–2465. DOI : 10.1021 / ja0631246 . PMID  17295480 .
  3. ^ Халдейн, JBS (1964). «Восемнадцать: Бытие жизни» . В DR, Бейтс (ред.). Планета Земля (2-е изд.). Германия: Pergamon Press. п. 332. ISBN. 1483135993. Проверено 29 мая 2017 года . Это очень стабильная молекула. При гидролизе до фосфата и аденозиндифосфата (АДФ) высвобождается около 11 500 калорий свободной энергии.
  4. ^ М. И. Охован, В. Е. Ли, С. Н. Калмыков. Введение в иммобилизацию ядерных отходов. Третье издание, Elsevier, Амстердам, стр. 323 (2019).
  5. Перейти ↑ Hobson, Art (2017). Рассказы о кванте: понимание самой фундаментальной теории физики . Издательство Оксфордского университета. ISBN 9780190679637.
  6. ^ "Технеций-99m" . Гиперфизика.
  7. ^ Коновер, Эмили (2016-10-03). «Редчайшее ядро, не желающее распадаться» . Проверено 5 октября 2016 .
  8. ^ Lehnert, Björn; Халт, Микаэль; Люттер, Гийом; Зубер, Кай (2017). «Поиск распада редчайшего изотопа 180m Ta». Physical Review C . 95 : 044306. arXiv : 1609.03725 . Bibcode : 2017PhRvC..95d4306L . DOI : 10.1103 / PhysRevC.95.044306 . S2CID 118497863 . 
  9. ^ Технологическая химия в фармацевтической промышленности. Кумар Г. Гадамасетти, редактор. 1999, с. 375–378.
  10. ^ «Золотая книга ИЮПАК - временные (химические) виды» . DOI : 10.1351 / goldbook.T06451 . Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  11. ^ «Золотая книга ИЮПАК - метастабильный ион в масс-спектрометрии» . DOI : 10.1351 / goldbook.M03874 . Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  12. ^ «Золотая книга ИЮПАК - метастабильное состояние в спектрохимии» . DOI : 10.1351 / goldbook.M03876 . Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  13. ^ А. Майданджич, Б. Подобник, С. В. Булдырев, Д. Ю. Кенетт, С. Хэвлин, Х. Э. Стэнли (2014). «Самопроизвольное восстановление в динамических сетях». Физика природы . 10 (34).CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  14. ^ А. Майдандзич, Л. А. Браунштейн, К. Курм, И. Воденска, С. Леви-Карсьенте, Е. П. Стэнли, С. Хэвлин (2016). «Множественные переломные моменты и оптимальный ремонт во взаимодействующих сетях». Nature Communications . 7 : 10850.CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  15. ^ Гванвен Zeng, Jianxi Гао, Луи Шехтман, Shengmin Го, Weifeng Lv, Jianjun Ву Хао Лю, Орр Леви, Дацин Ли, Ziyou Гао, H Евгений Стенли, Шломо Хавлин (2020). «Множественные метастабильные состояния сети в городском трафике». Труды Национальной академии наук . 117 (30): 17528–17534.CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )