Метастабильное состояние

Проведена экспертиза

Российской академией наук

Проведена экспертиза
Российской академией наук

Метастабильность на примере шарика в яме

Метастаби́льное состоя́ние (от греч. μετα «через» и лат. stabilis «устойчивый») — состояние квазиустойчивого равновесия физической системы, в котором она может находиться длительное время.

Что такое метастабильное состояние, может быть понятно из приведённого справа рисунка:

• состояние 1: метастабильное — состояние, стабильность которого сохраняется при не очень больших возмущениях;
• состояние 2: нестабильное — состояние, стабильность которого нарушается при сколь угодно малых возмущениях;
• состояние 3: стабильное — состояние, стабильность которого сохраняется при больших возмущениях.

Метастабильные состояния широко встречаются в природе и используются в науке и технике. С существованием метастабильных состояний связаны, например, явления магнитного, электрического и упругого гистерезиса, образование перенасыщенных растворов, закалка стали, производство стекла и т. д.

В термодинамике

Изотермы газа ван дер Ваальса:
P — давление;
V — объём;
K — критическая точка;
abKcd — бинодаль (граница области двухфазного равновесия; область под колоколом бинодали — область двухфазного равновесия жидкость — пар);
eKf — спинодаль (граница между областями метастабильных и термодинамически неустойчивых состояний; область под колоколом спинодали — нереализуемые состояния);
bc — линия конденсации;
abKe — область перегретой жидкости;
dcKf — область переохлаждённого пара;
площади закрашенных фигур под изобарой bc и над ней равны (правило Максвелла, 1875)

Метастабильные состояния соответствуют одному из минимумов термодинамического потенциала системы при заданных внешних условиях. Устойчивому (стабильному) состоянию отвечает самый глубокий минимум. Однородная система в метастабильном состоянии удовлетворяет условиям устойчивости термодинамического равновесия:

$C_{P}>C_{V}>0$,

$(dP/dV)_{T}<0$

для относительно малых возмущений физических параметров (энтропии, плотности и др.). При достаточно больших возмущениях система переходит в абсолютно устойчивое состояние. Большой класс метастабильных состояний связан с фазовыми переходами 1-го рода (кристалл $\leftrightarrow$ жидкость $\leftrightarrow$ газ).

В квантовых системах

Метастабильные состояния в квантовых системах — состояния с временами жизни ($\tau$), достаточно большими, чтобы неопределённость ширины энергетических уровней, согласно принципу неопределённости для энергии и времени $\Delta E\sim {\frac {\hbar }{\tau }}$, была много меньше разницы между ними. Обычно метастабильными считают возбуждённые состояния, излучательные (радиационные) переходы из которых в другие состояния запрещены строгими правилами отбора. Метастабильные состояния отличаются типом переходов, которые для них возможны: магнитный дипольный, электрический квадрупольный, двухфотонный и другие переходы.

Литература

• Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика. Часть 1. — Издание 2-е, перераб. — М.: Наука, 1964. — 568 с. — («Теоретическая физика», том V).
• Румер Ю. Б. Термодинамика, статистическая физика и кинетика : учебное пособие для студентов. — Новосибирск : Издательство Новосибирского университета, 2000.
• Леонтович М. А. Введение в термодинамику. Статистическая физика. 2-е изд., стер. — СПб. : Лань, 2008.
• Кикоин А. К., Кикоин И. К. Молекулярная физика : учебное пособие для студентов вузов. — СПб. : Лань, 2016.
• Сивухин Д. В. Общий курс физики. Т. 2. Термодинамика и молекулярная физика. — М. : Физматлит, 2014.

Ссылки

• Главный редактор А. М. Прохоров. Метастабильное состояние // Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия (рус.). — 1983. — статья из Физической энциклопедии.