WikiDer > Метастабильность

Metastability
О 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 физика, метастабильность стабильное состояние динамическая система кроме системы состояние наименьшей энергии.Простой пример метастабильности - шар, упирающийся в дупло на склоне. Если толкнуть мяч лишь слегка, он вернется в свое углубление, но при более сильном толчке мяч может скатиться по склону. Кегли для боулинга показывают аналогичную метастабильность, либо просто покачиваясь на мгновение, либо полностью опрокидываясь. Типичный пример метастабильности в науке: изомеризация. Изомеры с более высокой энергией являются долгоживущими, потому что им не дают перегруппироваться в их предпочтительные основное состояние за счет (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 с наименьшей энергией - единственное, в котором система будет находиться в течение неопределенного промежутка времени, пока к системе не добавится 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 фазовые переходы первого рода. Затем он приобрел новое значение при изучении агрегированных субатомные частицы (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 часто встречается у физика и химия - от атома (многочастичная сборка) до статистических ансамблей молекул (вязкие жидкости, аморфные твердые тела, жидкие кристаллы, минералыи т. д.) на молекулярном уровне или в целом (см. Метастабильные состояния вещества и груды зерна ниже). Обилие состояний преобладает по мере роста систем и / или если силы их взаимного взаимодействия пространственно менее однородны или более разнообразны.

В динамические системы (с Обратная связь) таких как электронные схемы, трафик сигналов, системы принятия решений и нейробиология - неизменность во времени активных или реактивных паттернов относительно внешних воздействий определяет стабильность и метастабильность (см. метастабильность в мозг ниже). В этих системах эквивалент тепловые колебания в молекулярных системах это «белый шум», который влияет на распространение сигнала и принятие решений.

Статистическая физика и термодинамика

Неравновесная термодинамика - раздел физики, изучающий динамику статистических ансамблей молекул через нестабильные состояния. Быть «застрявшим» в термодинамической впадине, не находясь в состоянии с наименьшей энергией, известно как наличие кинетической стабильности или кинетической стойкости. Особое движение или кинетика вовлеченных атомов привело к застреванию, несмотря на то, что существуют предпочтительные (более низкоэнергетические) альтернативы.

состояния вещества

Метастабильный состояния вещества (также называемый метастаты) варьируются от плавления твердых тел (или замерзающих жидкостей) до кипящих жидкостей (или конденсирующихся газов) и сублимирующие твердые вещества к переохлажденный жидкости или перегретый газожидкостные смеси. Чрезвычайно чистая, переохлажденная вода остается жидкой при температуре ниже 0 ° C и остается таковой до тех пор, пока не начнутся вибрации или конденсация легирования затравки. кристаллизация центры. Это обычная ситуация для капель атмосферных облаков.

Конденсированные вещества и макромолекулы

Метастабильные фазы широко распространены в конденсированных средах и кристаллографии. Примечательно, что это касается анатаз, метастабильный полиморф оксид титана, который, несмотря на то, что обычно является первой фазой во многих процессах синтеза из-за его более низкого поверхностная энергия, всегда метастабильна, с рутил самая стабильная фаза при всех температурах и давлениях [1]. В качестве другого примера, алмаз является стабильной фазой только при очень высоких давлениях, но является метастабильной формой углерода при стандартная температура и давление. Его можно преобразовать в графит (плюс оставшаяся кинетическая энергия), но только после преодоления энергия активации - промежуточный холм. Мартенсит метастабильная фаза, используемая для контроля твердости большинства сталей. Метастабильный полиморфы из кремнезем обычно наблюдаются. В некоторых случаях, например, в аллотропы твердых бор, получение образца стабильной фазы затруднено.[2]

Связи между строительными блоками полимеры Такие как ДНК, РНК, и белки также метастабильны. Аденозинтрифосфат представляет собой высокометастабильную молекулу, которую в просторечии называют «полной энергии», которую можно во многих отношениях использовать в биологии.[3]

Вообще говоря, эмульсии/коллоидный системы и очки метастабильны, например метастабильность кварцевого стекла характеризуется временем жизни порядка 1098 годы [4] по сравнению со временем жизни Вселенной, которое составляет около 14 · 109 годы.

Куча песка представляют собой систему, которая может проявлять метастабильность при наличии крутого склона или туннеля. Песчинки образовывать кучу из-за трение. Возможно, что вся большая куча песка достигнет точки, в которой она станет стабильной, но добавление единственной песчинки вызывает обрушение больших ее частей.

В лавина Это хорошо известная проблема с большими горами снега и кристаллами 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

Агрегированные системы субатомные частицы описанный квантовая механика (кварки внутри нуклоны, нуклоны внутри атомные ядра, электроны внутри атомы, молекулы, или же атомные кластеры) обнаруживают много различимых состояний. Из них один (или небольшой вырожденный набор) бесконечно устойчива: основное состояние или же глобальный минимум.

Все другие состояния, кроме основного (или вырожденных с ним), имеют более высокие энергии.[5] Из всех этих других состояний метастабильный государства имеют время жизни продолжительностью не менее 102 до 103 раз дольше, чем самые короткоживущие состояния множества.[нужна цитата]

А метастабильное состояние тогда является долгоживущим (локально стабильный относительно конфигураций "соседних" энергий), но не вечных (как глобальный минимум является). Будучи возбужденным - с энергией выше основного состояния - он в конечном итоге распадется до более стабильного состояния, высвобождая энергию. Действительно, выше абсолютный ноль, все состояния системы имеют ненулевую вероятность распада; то есть самопроизвольно перейти в другое состояние (обычно более низкое по энергии). Один из механизмов для этого - через туннелирование.

Ядерная физика

Некоторые энергетические состояния атомное ядро (имеющий различную пространственную массу, заряд, спин, изоспин дистрибутивов) намного долговечнее, чем другие (ядерные изомеры того же самого изотоп), например технеций-99m.[6] Изотоп тантал-180м, хотя и является метастабильным возбужденным состоянием, он достаточно долгоживущий, поэтому его распад никогда не наблюдался, с расчетным периодом полураспада как минимум 4.5×1016 годы,[7][8] более чем в 3 миллиона раз больше текущего возраст вселенной.

Атомная и молекулярная физика

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

Это свойство медленного распада метастабильного состояния проявляется в фосфоресценция, вид фотолюминесценция наблюдается 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

Смотрите также: Химическая стабильность и Химическое равновесие § Метастабильные смеси

В химических системах - система атомов или молекул, включающая изменение химическая связь может находиться в метастабильном состоянии, которое длится относительно длительный период времени. Молекулярные колебания и тепловое движение делают химические соединения на энергетическом эквиваленте вершины круглого холма очень недолговечными. Метастабильные состояния, сохраняющиеся в течение многих секунд (или лет), встречаются в энергетическом долины которые не являются самой нижней возможной впадиной (точка 1 на иллюстрации). Распространенным типом метастабильности является изомерия.

Стабильность или метастабильность данной химической системы зависит от окружающей среды, в частности температура и давление. Разница между получением стабильной и метастабильной сущностей может иметь важные последствия. Например, неправильный кристалл полиморф может привести к отказу лекарства при хранении между производством и введением.[9] Карта того, какое состояние является наиболее стабильным в зависимости от давления, температуры и / или состава, известна как фазовая диаграмма. В регионах, где конкретное состояние не является самым стабильным, оно все еще может быть метастабильным.Промежуточные продукты реакции относительно недолговечны и обычно термодинамически нестабильны, а не метастабильны. В ИЮПАК рекомендует называть их преходящий а не метастабильный.[10]

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

Электронные схемы

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 резкий поворот) может войти в метастабильное состояние и потребуется неограниченное время, чтобы, наконец, прийти к полностью стабильному цифровому состоянию.

Вычислительная нейробиология

Метастабильность в головном мозге это явление изучалось в вычислительная нейробиология чтобы выяснить, 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.

Смотрите также

Рекомендации

  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. Дои:10.1021 / ja0631246. PMID 17295480.
  3. ^ Холдейн, Дж. Б. С. (1964). «Восемнадцать: Бытие жизни». В Д. Р. Бейтсе (ред.). Планета Земля (2-е изд.). Германия: Pergamon Press. п. 332. ISBN 1483135993. Получено 29 мая, 2017. Это очень стабильная молекула. При гидролизе до фосфата и аденозиндифосфата (АДФ) высвобождается около 11500 калорий свободной энергии.
  4. ^ М.И. Охован, W.E. Ли, С. Калмыков. Введение в иммобилизацию ядерных отходов. Третье издание, Elsevier, Амстердам, стр. 323 (2019).
  5. ^ Хобсон, Искусство (2017). Сказки о кванте: понимание самой фундаментальной теории физики. Издательство Оксфордского университета. ISBN 9780190679637.
  6. ^ «Технеций-99м». Гиперфизика.
  7. ^ Коновер, Эмили (2016-10-03). «Редчайшее ядро, не желающее распадаться». Получено 2016-10-05.
  8. ^ Ленерт, Бьёрн; Халт, Микаэль; Люттер, Гийом; Зубер, Кай (2017). "Поиск распада самого редкого изотопа природы 180 мТа ". Физический обзор C. 95: 044306. arXiv:1609.03725. Bibcode:2017PhRvC..95d4306L. Дои: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 - переходные (химические) виды». Дои:10.1351 / goldbook.T06451. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  11. ^ «Золотая книга ИЮПАК - метастабильный ион в масс-спектрометрии». Дои:10.1351 / goldbook.M03874. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  12. ^ «Золотая книга ИЮПАК - метастабильное состояние в спектрохимии». Дои:10.1351 / goldbook.M03876. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)