Метастабильность
 | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( апрель 2011 г. ) |
В химии и физике отличное метастабильность — это промежуточное энергетическое состояние внутри динамической системы, от состояния системы с наименьшей энергией .Шар, покоящийся в углублении на склоне, является простым примером метастабильности. Если мяч толкнуть лишь слегка, он вернется в свое углубление, но более сильный толчок может заставить мяч скатиться вниз по склону. Кегли для боулинга демонстрируют аналогичную метастабильность: либо просто покачиваются на мгновение, либо полностью опрокидываются. Типичным примером метастабильности в науке является изомеризация . Изомеры с более высокой энергией живут долго, поскольку им не позволяют перегруппироваться в предпочтительное основное состояние из-за (возможно, больших) барьеров потенциальной энергии .
Во время метастабильного состояния с конечным временем жизни все параметры, описывающие состояние, достигают и удерживают стационарные значения. В изоляции:
- состояние наименьшей энергии - единственное, в котором система будет находиться в течение неопределенного периода времени, пока к системе не будет добавлено больше внешней энергии (уникальное «абсолютно стабильное» состояние);
- система самопроизвольно покинет любое другое состояние (с более высокой энергией), чтобы в конечном итоге вернуться (после серии переходов) в состояние с наименьшей энергией.
Концепция метастабильности зародилась в физике фазовых переходов первого рода . Затем оно приобрело новый смысл при изучении агрегированных субатомных частиц (в атомных ядрах или в атомах) или в молекулах, макромолекулах или скоплениях атомов и молекул. Позже он был заимствован для исследования систем принятия решений и передачи информации.
Метастабильность распространена в физике и химии — от атома (многочастичная сборка) до статистических ансамблей молекул ( вязких жидкостей , аморфных твердых тел , жидких кристаллов , минералов и т. д.) на молекулярных уровнях или в целом (см. Метастабильные состояния вещества). и кучи зерна внизу). Изобилие состояний становится более преобладающим по мере того, как системы становятся больше и/или если силы их взаимного взаимодействия пространственно менее однородны или более разнообразны.
В динамических системах (с обратной связью ), таких как электронные схемы, системы передачи сигналов, системы принятия решений, нервные и иммунные системы, временная инвариантность активных или реактивных паттернов по отношению к внешним воздействиям определяет стабильность и метастабильность (см. «Метастабильность мозга » ниже). В этих системах эквивалентом тепловых флуктуаций молекулярных систем является « белый шум », влияющий на распространение сигнала и принятие решений.
Статистическая физика и термодинамика
[ редактировать ]Неравновесная термодинамика — раздел физики, изучающий динамику статистических ансамблей молекул через нестабильные состояния. «Застревание» в термодинамической впадине без нахождения в состоянии с самой низкой энергией известно как наличие кинетической стабильности или кинетической устойчивости. Особое движение или кинетика задействованных атомов привели к застреванию, несмотря на то, что существовали предпочтительные альтернативы (с более низкой энергией).
Состояния материи
[ редактировать ]Метастабильные состояния вещества (также называемые метасостояниями ) варьируются от плавления твердых тел (или замерзания жидкостей), кипения жидкостей (или конденсации газов) и сублимации твердых веществ до переохлажденных жидкостей или перегретых смесей жидкости и газа. Чрезвычайно чистая, переохлажденная вода остается жидкой при температуре ниже 0 °C и остается таковой до тех пор, пока приложенная вибрация или конденсирующаяся затравочная добавка не инициируют кристаллизации центры . Это обычная ситуация для капель атмосферных облаков.
Конденсированное вещество и макромолекулы
[ редактировать ]Метастабильные фазы распространены в конденсированных средах и кристаллографии. Так обстоит дело с анатазом , метастабильным полиморфом диоксида титана , который, несмотря на то, что обычно является первой фазой, образующейся во многих процессах синтеза из-за его более низкой поверхностной энергии , всегда метастабилен, причем рутил является наиболее стабильной фазой при всех температурах и давлениях. . [1] Другой пример: алмаз является стабильной фазой только при очень высоких давлениях, но является метастабильной формой углерода при стандартных температуре и давлении . Его можно превратить в графит (плюс оставшуюся кинетическую энергию), но только после преодоления энергии активации – промежуточного холма. Мартенсит — это метастабильная фаза, используемая для контроля твердости большинства сталей. метастабильные полиморфные модификации . кремнезема Обычно наблюдаются В некоторых случаях, например, в аллотропах твердого бора , получение образца стабильной фазы затруднено. [2]
Связи между строительными блоками полимеров, такими как ДНК , РНК и белки, также метастабильны. Аденозинтрифосфат (АТФ) — это высоко метастабильная молекула, которую в просторечии называют «полной энергии», и которую можно использовать многими способами в биологии. [3]
Вообще говоря, эмульсии / коллоидные системы и стекла метастабильны. Метастабильность кварцевого стекла, например, характеризуется временем жизни порядка 10 98 годы [4] (по сравнению с временем жизни Вселенной, которое, как полагают, составляет около 13,787 × 10 9 годы). [5]
Песчаные отвалы — это одна из систем, которая может проявлять метастабильность при наличии крутого склона или туннеля. Зерна песка образуют кучку из-за трения . Вполне возможно, что вся большая куча песка достигнет точки, в которой она станет устойчивой, но добавление одного зерна приведет к разрушению больших ее частей.
Лавины . — хорошо известная проблема, связанная с большими кучами снега и кристаллами льда на крутых склонах В засушливых условиях снежные склоны действуют аналогично песчаным кучам. Целый склон горы снега может внезапно скатиться из-за присутствия лыжника или даже из-за громкого шума или вибрации.
Квантовая механика
[ редактировать ]Обнаружено, что агрегированные системы субатомных частиц , описываемые квантовой механикой ( кварки внутри нуклонов , нуклоны внутри атомных ядер , электроны внутри атомов , молекулы или атомные кластеры ), имеют множество различимых состояний. Из них одно (или небольшой вырожденный набор ) бесконечно устойчиво: основное состояние или глобальный минимум .
Все остальные состояния, кроме основного (или вырождающиеся вместе с ним), имеют более высокие энергии. [6] Из всех этих других состояний метастабильными являются те, время жизни которых длится не менее 10 2 до 10 3 раз дольше, чем самые короткоживущие состояния множества. [7]
В этом случае метастабильное состояние является долгоживущим (локально стабильным по отношению к конфигурациям «соседних» энергий), но не вечным (как глобальный минимум ). Будучи возбужденным (с энергией выше основного состояния), он в конечном итоге перейдет в более стабильное состояние, высвобождая энергию. Действительно, выше абсолютного нуля все состояния системы имеют ненулевую вероятность распада; то есть самопроизвольно перейти в другое состояние (обычно с более низкой энергией). Одним из механизмов этого является туннелирование .
Ядерная физика
[ редактировать ]Некоторые энергетические состояния атомного ядра (имеющие различное пространственное распределение массы, заряда, спина и изоспина ) гораздо более долговечны, чем другие ( ядерные изомеры того же изотопа ), например технеций-99m . [8] Изотоп тантал-180m , хотя и является метастабильным возбужденным состоянием, достаточно долгоживущ, поэтому его распад никогда не наблюдался, с рассчитанным периодом полураспада как минимум 4,5 × 10. 16 годы, [9] [10] более чем в 3 миллиона раз превышает нынешний возраст Вселенной .
Атомная и молекулярная физика
[ редактировать ]Некоторые уровни атомной энергии метастабильны. Ридберговские атомы являются примером метастабильных возбужденных атомных состояний. Переходы с метастабильных возбужденных уровней обычно запрещены правилами отбора электрических диполей . Это означает, что любые переходы с этого уровня маловероятны. В каком-то смысле там оказывается захваченным электрон, оказавшийся в метастабильной конфигурации. Поскольку переходы из метастабильного состояния не невозможны (просто менее вероятны), электрон в конечном итоге распадется в менее энергетическое состояние, обычно за счет электрического квадрупольного перехода или часто за счет безызлучательного девозбуждения (например, столкновительного девозбуждения). .
Это свойство медленного распада метастабильного состояния проявляется в фосфоресценции — виде фотолюминесценции, наблюдаемом в светящихся в темноте игрушках, которые можно зарядить, предварительно подвергнув воздействию яркого света. В то время как спонтанное излучение атомов имеет типичный временной масштаб порядка 10 −8 секунд, распад метастабильных состояний обычно может занимать от миллисекунд до минут, поэтому свет, излучаемый при фосфоресценции, обычно является одновременно слабым и продолжительным.
Химия
[ редактировать ]В химических системах система атомов или молекул, сопровождающаяся изменением химической связи , может находиться в метастабильном состоянии, которое сохраняется в течение относительно длительного периода времени. Молекулярные вибрации и тепловое движение делают химические соединения на энергетическом эквиваленте вершины круглого холма очень недолговечными. Метастабильные состояния, которые сохраняются в течение многих секунд (или лет), встречаются в энергетических долинах , которые не являются минимально возможными (точка 1 на иллюстрации). Распространенным типом метастабильности является изомерия .
Стабильность или метастабильность данной химической системы зависит от ее окружающей среды, особенно от температуры и давления . Разница между созданием стабильного и метастабильного объекта может иметь важные последствия. Например, наличие неправильной кристаллической полиморфной модификации может привести к отказу лекарственного средства при хранении между производством и введением. [11] 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 равно может быть метастабильным. Промежуточные продукты реакции относительно недолговечны и обычно термодинамически нестабильны, а не метастабильны. ИЮПАК , рекомендует называть их временными а не метастабильными. [12]
Метастабильность также используется для обозначения конкретных ситуаций в масс-спектрометрии. [13] и спектрохимия. [14]
Электронные схемы
[ редактировать ]Предполагается, что цифровая схема находится в небольшом количестве устойчивых цифровых состояний в течение определенного периода времени после изменения входа. Однако если входной сигнал изменяется в неподходящий момент, цифровая схема, использующая обратную связь (даже простая схема, такая как триггер ) , может перейти в метастабильное состояние , и ей потребуется неограниченный промежуток времени, чтобы окончательно перейти в полностью стабильное цифровое состояние.
Вычислительная нейробиология
[ редактировать ]Метастабильность в мозге — это явление, изучаемое в вычислительной нейробиологии с целью выяснить, как человеческий мозг распознает закономерности. Здесь термин метастабильность используется довольно широко. Состояния с более низкой энергией не существует, но в мозгу есть полупереходные сигналы, которые сохраняются некоторое время и отличаются от обычного состояния равновесия.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Ханаор, Дориан А.Х.; Соррелл, Чарльз К. (01 февраля 2011 г.). «Обзор фазового превращения анатаза в рутил» . Журнал материаловедения . 46 (4): 855–874. Бибкод : 2011JMatS..46..855H . дои : 10.1007/s10853-010-5113-0 . ISSN 1573-4803 . S2CID 97190202 .
- ^ ван Сеттен; Уйттевал; де Вайс; де Гроот (2007). «Термодинамическая стабильность бора: роль дефектов и движение нулевой точки» (PDF) . Журнал Американского химического общества . 129 (9): 2458–2465. дои : 10.1021/ja0631246 . ПМИД 17295480 . S2CID 961904 . Архивировано из оригинала (PDF) 15 апреля 2021 г. Проверено 8 июля 2019 г.
- ^ Холдейн, JBS (1964). «Восемнадцать: Бытие жизни» . В ДР, Бейтс (ред.). Планета Земля (2-е изд.). Германия: Пергамон Пресс. п. 332. ИСБН 1483135993 . Проверено 29 мая 2017 г.
Это очень стабильная молекула. Около 11 500 калорий свободной энергии высвобождается при ее гидролизе до фосфата и аденозиндифосфата (АДФ).
- ^ М.И. Оджован, В.Е. Ли, С.Н. Калмыков. Введение в иммобилизацию ядерных отходов. Издание третье, Elsevier, Амстердам, стр.323 (2019).
- ^ Сотрудничество Планка (2020). «Результаты Планка 2018. VI. Космологические параметры» . Астрономия и астрофизика . 641 . стр. A6 (см. стр. 15 PDF, Таблицу 2: «Возраст/год», последний столбец). arXiv : 1807.06209 . Бибкод : 2020A&A...641A...6P . дои : 10.1051/0004-6361/201833910 . S2CID 119335614 .
- ^ Хобсон, Искусство (2017). Сказки о квантовом: понимание самой фундаментальной теории физики . Издательство Оксфордского университета. ISBN 9780190679637 .
- ^ Ходжман, СС; Далл, Р.Г.; Байрон, LJ; Болдуин, KGH; Бакман, С.Дж.; Траскотт, AG (31 июля 2009 г.). «Метастабильный гелий: новое определение самого длительного времени жизни атома в возбужденном состоянии» . Письма о физических отзывах . 103 (5): 053002. Бибкод : 2009PhRvL.103e3002H . doi : 10.1103/PhysRevLett.103.053002 . hdl : 10440/978 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 19792494 .
- ^ «Технеций-99м» . Гиперфизика.
- ^ Коновер, Эмили (3 октября 2016 г.). «Редчайшее ядро, не желающее распадаться» . Новости науки . Проверено 5 октября 2016 г.
- ^ Ленерт, Бьёрн; Хульт, Микаэль; Люттер, Гийом; Зубер, Кай (2017). «В поисках распада редчайшего изотопа природы 180 м Ta». Physical Review C. 95 ( 4): 044306. arXiv : 1609.03725 . Bibcode : 2017PhRvC..95d4306L . doi : 10.1103/PhysRevC.95.044306 . S2CID 118497863 .
- ^ Химия процессов в фармацевтической промышленности. Кумар Дж. Гадамасетти, редактор. 1999, стр. 375–378.
- ^ «переходные (химические) виды» . Золотая книга ИЮПАК . 2014. doi : 10.1351/goldbook.T06451 .
- ^ «Метастабильный ион в масс-спектрометрии» . Золотая книга ИЮПАК . дои : 10.1351/goldbook.M03874 .
- ^ «метастабильное состояние в спектрохимии» . Золотая книга ИЮПАК . дои : 10.1351/goldbook.M03876 .