Metastabilność - Polski Serwis Naukowy

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.

Stan szklisty – stan skupienia, w którym materia nie posiada uporządkowania dalekiego zasięgu, a jedynie lokalne zagęszczenia materii zwane mikroobszarami, domenami lub klasterami, tworzące nieregularną więźbę i ograniczające się do objętości o średnicy nie przekraczającej 20 Å. Z tych powodów promieniowanie rentgenowskie rozproszone na powierzchni ciała w stanie szklistym nie daje efektu interferencyjnego, jak to ma miejsce w przypadku kryształów (dyfrakcja Bragga). Dlatego szkieł nie można identyfikować rentgenograficznie.

Fluktuacja, wahania przypadkowe - przypadkowe, nie dające się przewidzieć, odchylenia od wartości średniej zmiennej losowej (np. wielkości fizycznej) podlegającej stochastycznym zmianom w czasie i nie wykazujące żadnej tendencji.

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.

Grafit – pospolity i szeroko rozpowszechniony minerał z gromady pierwiastków rodzimych. Stosowany jako naturalny suchy smar. Jest – obok diamentu i fulerytu – odmianą alotropową węgla. Nazwa pochodzi od gr. graphein = pisać, nawiązuje do tradycyjnego zastosowania tego minerału.

Ciecz przegrzana – ciało istniejące w stanie ciekłym powyżej temperatury wrzenia. Zazwyczaj ciecze wrą w jednej, określonej temperaturze przy stałym ciśnieniu. Proces wrzenia wymaga jednak odpowiednich warunków – m.in. możliwości ulatniania się powstającego z cieczy gazu, ponadto nie występuje jednocześnie w całej objętości cieczy i wymaga zainicjowania oraz czasu.

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.

Przemiana fazowa (przejście fazowe) to taka zmiana układu fizycznego lub chemicznego, której towarzyszy skokowa zmiana parametrów układu, np. ciepła właściwego układu lub jego składowych.

Izomery jądrowe to atomy o tym samym nuklidzie (jądrze), o identycznej liczbie protonów i neutronów, jednakże różniące się stanem kwantowym. Odkrył je Otto Hahn, badając produkty rozpadu uranu.

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. Jest to przykład tzw. "zamrożonego nieporządku".

Metastabilność w fizyce jądrowej

Schemat rozpadu jądra Rf ze stanu podstawowego (g) i metastabilnego stanu wzbudzonego (m). W jądrze potomnym 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 otrzymuje się w stanie końcowym ten sam izotop, lub poprzez inny typ rozpadu, wtedy jednak powstaje inny nuklid.

Radioaktywność (promieniotwórczość) – zdolność jąder atomowych do rozpadu promieniotwórczego, który najczęściej jest związany z emisją cząstek alfa, cząstek beta oraz promieniowania gamma (promieniowanie elektromagnetyczne o bardzo dużej energii).

Nobel (No, łac. nobelium) - pierwiastek chemiczny, aktynowiec. Nazwa pochodzi od nazwiska chemika Alfreda Nobla. Pierwiastek otrzymano po raz pierwszy w 1958 pod kierunkiem Alberta Ghiorso w Berkeley w Kalifornii.

Przypisy

Sergei V. Nemilov: Thermodynamic and kinetic aspects of the vitreous state. CRC Press, 1995, s. 11-12. ISBN 0-8493-3782-8.