Метастабильное состояние

I

Метастаби́льное состоя́ние (от Мета... и лат. stabilis — устойчивый)

в термодинамике, состояние неустойчивого равновесия физической макроскопической системы, в котором система может находиться длительное время. Примерами М. с. могут служить перегретая или переохлажденная жидкость и переохлажденный (пересыщенный) пар (см. Перегрев и Переохлаждение). Жидкость, например воду, тщательно очищенную от посторонних твёрдых частичек и пузырьков газа (центров парообразования), можно нагреть до температуры, превышающей температуру кипения при данном давлении. Если в перегретой жидкости возникнут центры парообразования (или их введут искусственно), то жидкость взрывообразно перейдёт в пар — устойчивое при данной температуре состояние. В свою очередь пар, в котором отсутствуют центры конденсации (твёрдые частицы, ионы), можно охладить до температур, при которых устойчиво жидкое состояние, и получить переохлажденный (пересыщенный) пар. В природе пересыщенный водяной пар образуется, например, при подъёме нагретых у поверхности земли воздушных масс и последующем их охлаждении, вызванном адиабатическим расширением.

Возникновение М. с. объясняется теорией термодинамического равновесия (см. Равновесие термодинамическое). Состоянию равновесия замкнутой системы соответствует максимум энтропии (См. Энтропия)S. При постоянном объёме V и температуре Т равновесию отвечает минимум свободной энергии F(гельмгольцевой энергии (См. Гельмгольцева энергия)), а при постоянном давлении р и температуре Т — минимум термодинамического потенциала G (гиббсовой энергии (См. Гиббсова энергия)). Однако определённым значениям внешних параметров (р, V, Т и др.) может соответствовать несколько экстремумов (максимумов или минимумов) одной из перечисленных выше функций (рис.). Каждому из относительных минимумов функции F или G соответствует устойчивое по отношению к малым воздействиям или флуктуациям (См. Флуктуации)состояние. Такие состояния называют метастабильными. При небольшом отклонении от М. с. система возвращается в это же состояние, однако по отношению к большим отклонениям от равновесия она неустойчива и переходит в состояние с абсолютным минимумом термодинамического потенциала, которое устойчиво по отношению к конечным отклонениям значений физических параметров от равновесных. Т. о., хотя М. с. в известных пределах устойчиво, рано или поздно система всё же переходит в абсолютно устойчивое, стабильное состояние.

Возможность реализации М. с. связана с особенностями перехода системы из одного устойчивого состояния в другое (с кинетикой фазовых переходов (См. Фазовый переход)). Фазовый переход начинается с возникновения зародышей новой фазы: пузырьков пара в случае перехода жидкости в пар, микрокристалликов при переходе жидкости в кристаллическое состояние и т.п. Для образования зародышей требуется совершение работы по созданию поверхностей раздела двух фаз. Росту образовавшихся зародышей мешает значительная кривизна их поверхности (см. Капиллярные явления), приводящая при кристаллизации к повышенной растворимости зародышей твёрдой фазы, при конденсации жидкости — к испарению мельчайших капелек, при парообразовании — к повышенной упругости пара внутри маленьких пузырьков. Указанные факторы могут сделать энергетически невыгодным возникновение и рост зародышей новой фазы и задержать переход системы из М. с. в абсолютно устойчивое состояние при данных условиях.

М. с. широко встречаются в природе и используются в науке и технике. С существованием М. с. связаны, например, явления магнитного, электрического и упругого Гистерезиса, образование пересыщенных растворов, Закалка стали, производство стекла (См. Стекло) и т.д.

Лит.: Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Статистическая физика, М., 1964; Штрауф Е. А., Молекулярная физика, М. — Л., 1949; Самойлович А. Г., Термодинамика и статистическая физика, 2 изд., М., 1955; Скрипов В. П., Метастабильная жидкость, М., 1972.

Г. Я. Мякишев.

Ф₁(х₁) — абсолютный минимум функции Ф (ею могут быть потенциалы F или G), Ф₂(х₂) — относительный минимум функции; х — переменный физический параметр (например, объём V), другие параметры постоянны.

Метастаби́льное состоя́ние

квантовых систем, возбуждённое состояние атомных систем (атомов, молекул, атомных ядер), которые могут существовать длительное время и, т. о., стабильны. Метастабильными являются такие возбуждённые состояния, Квантовые переходы из которых в состояния с меньшей энергией, сопровождающиеся излучением (т. е. испусканием фотонов), запрещены Отбора правилами (точными или приближёнными) и, следовательно, либо совсем не могут происходить, либо мало вероятны. Мера метастабильности состояния — его время жизни τ = 1/A, где А — полная вероятность перехода из данного состояния во все состояния с меньшей энергией. Чем меньше А, тем больше τ и тем состояние более стабильно. В предельном случае строго запрещенных переходов А = 0, τ = ∞. Обычно времена жизни для М. с. атомов и молекул составляют доли сек и сек.

Атомы и молекулы в М. с. играют важную роль в элементарных процессах, например в разрежённых газах: энергия возбуждения может длительное время сохраняться частицами, находящимися в М. с., и затем передаваться другим частицам при столкновении, что вызывает послесвечение. Процессы люминесценции (См. Люминесценция)сложных молекул связаны с наличием метастабильных молекул в триплетных возбуждённых состояниях, переходы из которых в основное синглетное состояние запрещены правилами отбора. О М. с. ядер см. Изомерия атомных ядер.

М. А. Ельяшевич.

МЕТАСТАБИЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ - относительно устойчивое состояние системы, из которого она может перейти в более устойчивое состояние под действием внешних факторов или самопроизвольно (в последнем случае вероятность перехода значительно меньше, чем для нестабильного состояния). Пример метастабильного состояния в термодинамике - жидкость в состоянии перегрева или переохлаждения; метастабильное состояние в квантовой механике - возбужденные состояния атомов, молекул или атомных ядер, в которых они могут находиться длительное время.

metastable state

metastable state

МЕТАСТАБИЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ

(от греч. meta...— приставка, означающая здесь изменение, переход к ч.-л. другому, и лат. stabilis — устойчивый) в термодинамике, состояние неустойчивого равновесия физ. макроскопич. системы, в к-ром система может находиться длит. время, не переходя в более устойчивое (при данных условиях) состояние (фазу).

Существование М. с. связано с особенностями кинетики фазовых переходов. Фазовый переход начинается с возникновения зародышей новой фазы: пузырьков пара при переходе жидкости в пар, микрокристалликов при переходе жидкости в крист. состояние и т. п. Для образования зародышей требуются затраты энергии на создание поверхностей раздела фаз. Росту образовавшихся зародышей мешает значит. кривизна их поверхности (см. КАПИЛЛЯРНЫЕ ЯВЛЕНИЯ), приводящая при кристаллизации к повышенной растворимости зародышей тв. фазы, при конденсации жидкости — к испарению мельчайших капелек, при парообразовании — к повышенной упругости пара внутри маленьких пузырьков. Указанные факторы могут сделать энергетически невыгодными возникновение и рост зародышей новой фазы и задержать переход системы из М. с. в абсолютно устойчивое состояние при данных условиях. Фактором, способствующим сохранению М. с., может быть высокая вязкость в-ва, препятствующая, напр., установлению упорядоченного расположения молекул в аморфных тв. телах (кристаллизации стёкол).

М. с. часто встречается в природе а используется в науке и технике. С существованием М. с. связаны, напр., явления магн., электрич. и упругого гистерезиса, закалка стали, образование пересыщенных р-ров и т. п. В науч. исследованиях пар в перегретом состоянии использовался для регистрации треков заряж. ч-ц в Вильсона камере; в совр. пузырьковых камерах для тех же целей применяют находящиеся в М. с. жидкости.

МЕТАСТАБИЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ

в квантовых системах - состояние с временем жизни (т), много большим характерного времени жизни возбуждённых состояний атомной системы. Обычно ме-тастабильными считают возбуждённые состояния, из-лучательные (радиационные), переходы из к-рых в др. состояния запрещены строгими отбора правилами.M. с. отличаются типом переходов, к-рые для них возможны: магн. дипольный, электрич. квадрупольный, двух-фотонный (см. Многофотонные процессы )и др. переходы.

M. с., для к-рых возможны магн. дипольные переходы, обычно представляет собой возбуждённую компоненту тонкой или сверхтонкой структуры осн. состояния. Классич. примером является состояние, соответствующее компоненте сверхтонкой структуры уровня 1S_1/2 атома H с полным моментом Радиолиния 21 см, возникающая при переходе из этого состояния, играет фундам. роль в совр. радиоастрономии и оптических стандартах частоты.

Типичные M. с., для к-рых возможны электрич. квад-рупольные квантовые переходы,- возбуждённые состояния ¹S и ¹D в конфигурациях р² и р⁴, а также ²P и ²D в конфигурации р ³. Спектральные линии, соответствующие переходам из этих состояний, наблюдаются в планетарных туманностях и используются для диагностики электронной плотности и темп-ры в них.

M. с., для к-рых возможны двухфотонные переходы,- возбуждённые состояния, однофотонный переход из них в нижележащие состояния запрещён. Напр., уровни 2s в атоме H и водородоподобных ионах, ls²2s¹S₀ в Не и гелиеподобных ионах.

Одно из самых долгоживущих M. с.- состояние 1s2s³S₁; в Не и гелиеподобных ионах электрич. дипольные и электрич. квадрупольные переходы из них строго запрещены, а магн. дипольные и двухфотонные переходы сильно подавлены. Наиб, вероятен релятивистский магн. дипольный переход. Для Не радиац. время жизни в этом состоянии и быстро уменьшается с ростом кратности иона Спектральные линии, соответствующие переходам из этих состояний, используются для диагностики электронной плотности в солнечной короне. M. с. 1s2s¹S₀ и 1s2s³S₁ Не играют важную роль в создании инверсии населённо-стей в Не - Ne - лазере и лазерах на парах металлов.

И. Л. Бейгман.

Для молекул возможны вращат. и колебат. M. с. Однако времена жизни таких состояний в условиях, обычно достигаемых в лаборатории, значительно превосходят времена вращат. и колебат. релаксации молекул, поэтому переход из возбуждённых M. с. происходит при столкновениях молекул. В то же время в сверхразреженной межзвёздной среде, где времена свободного пробега молекул иногда достигают неск. лет, молекулы в M. с. живут долго. В частности, вращат. уровни энергии с К = J осн. колебат. состояния молекул типа симметричного волчка (напр., аммиак), вследствие правила отбора AK =0 являются M. с. В результате центробежного искажения молекулы при вращении для переходов с (группа С_3v или D_3h )запрет ослабляется. Времена жизни таких M. с. составляют от неск. часов до неск. лет. Если молекула имеет центр инверсии (напр., CO₂), то все вращат. уровни и первый возбуждённый колебат. g-уровень (если ниже нет u -уровня) являются M. с., т. к. из таких состояний возможны только квадрупольные переходы или переходы более высокой мультипольности. Для изучения межзвёздной среды представляет интерес M. с. полносимметричного колебания v иона В этом случае из состояний nv₁ возможны переходы: 1) (где v₂ -активное колебание) - вследствие энгармонизма, 2)- вследствие колебательно-вращат. взаимодействия, 3) квадрупольные переходы.

M. P. Алиев.