Метастабильное состояние

12.03.2021

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

Что такое метастабильное состояние, может быть понятно из приведенного 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

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 равновесия термодинамического C P > C V > 0 {displaystyle C_{P}>C_{V}>0} , ( d P / d V ) T < 0 {displaystyle (dP/dV)_{T}<0} , 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 ↔ {displaystyle leftrightarrow } жидкость ↔ {displaystyle leftrightarrow } газ).

В квантовых системах

Метастабильные состояния в квантовых системах — состояния с временами жизни ( τ {displaystyle au } ), достаточно большими, чтобы неопределённость ширины энергетических уровней, согласно принципу неопределённости для энергии и времени Δ E ∼ ℏ τ {displaystyle Delta Esim {frac {hbar }{ au }}} , 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.