Układ ze stanem metastabilnym (1), niestabilnym stanem przejściowym (2) i stanem stabilnym (globalnie) (3).
Metastabilność jest własnością delikatnej równowagi stanów, które są stabilne dla małych odchyleń od położenia równowagi, ale większe wychylenie powoduje zmianę stanu i przejście do równowagi pełnej, lub ew. innego stanu metastabilnego.
Ze względu na naturalne fluktuacje, stany metastabilne rozpadają się samoistnie, ale czas ich trwania może być bardzo długi. Dlatego dostarczenie energii, np. przez podgrzanie, zwiększa szybkość przemiany i może doprowadzić do zmiany stanu substancji.
Z fizycznego punktu widzenia układ w stanie metastabilnym znajduje się w
minimum lokalnym
(ale nie
globalnym
) energii, a po dostarczeniu energii potrzebnej do pokonania bariery, lub w wyniku
zjawiska tunelowego
, przechodzi do stanu o mniejszej energii.
Metastabilność substancji chemicznych
Zazwyczaj metastabilność jest spowodowana względnie wolnym tempem przejścia fazowego. Przypadkiem metastabilności jest
alotropia
pierwiastków chemicznych - przy danej temperaturze i ciśnieniu, w pełni stabilna jest tylko jedna odmiana, ale inne również mogą istnieć. Przykładowo, w temperaturze pokojowej
diament
jest metastabilny, ponieważ przejście do stabilnej postaci
grafitu
jest niezwykle powolne. Przy wyższych temperaturach tempo przejścia fazowego jest większe i diament przekształci się w grafit.
Innymi przykładami substancji w stanach metastabilnych są
ciecz przechłodzona
i
przegrzana
.
Często powtarzanym błędem jest twierdzenie, że szkło jest substancją w stanie metastabilnym. Nie jest to prawda, ponieważ
stan szklisty
jest z termodynamicznego punktu widzenia niestabilny[1]. Jest to przykład tzw. "zamrożonego nieporządku".
Metastabilność w fizyce jądrowej
Schemat rozpadu jądra
257
Rf
ze stanu podstawowego (g) i metastabilnego stanu wzbudzonego (m). W jądrze potomnym
253
No
występuje kilka niestabilnych stanów wzbudzonych i jeden stan metastabilny.
Pojęcie metastabilności pojawia się także w kontekście
przemian jądrowych
. Metastabilne
izomery jądrowe
są jądrami atomowymi w
stanie wzbudzonym
, z którego przechodzą do stanu o niższej energii. Przejście to może odbywać się przez
emisję gamma
, w wyniku której otrzymujemy w stanie końcowym ten sam
izotop
, lub poprzez inny typ
rozpadu
, wtedy jednak powstaje inny
nuklid
.
Przypisy