МЕТАСТАБИ́ЛЬНОЕ СОСТОЯ́НИЕ

МЕТАСТАБИ́ЛЬНОЕ СОСТОЯ́НИЕ. 1) М. с. тер­мо­ди­на­ми­че­ской сис­те­мы, тер­мо­ди­на­ми­че­ски не­рав­но­вес­ное со­стоя­ние, ус­той­чи­вое от­но­си­тель­но ма­лых воз­му­ще­ний. Со вре­ме­нем ве­ще­ст­во, на­хо­дя­щее­ся в М. с., пе­ре­хо­дит в со­стоя­ние тер­мо­ди­на­мич. рав­но­ве­сия вслед­ст­вие ма­ло­ве­ро­ят­ных боль­ших спон­тан­ных флук­туа­ций или под дей­ст­ви­ем боль­ших внеш­них воз­му­ще­ний. В от­сут­ст­вие та­ких флук­туа­ций и воз­му­ще­ний М. с. мо­жет су­ще­ст­во­вать дли­тель­ное вре­мя, пре­вос­хо­дя­щее на мно­го по­ряд­ков ве­ли­чи­ны та­кие ха­рак­тер­ные вре­ме­на, как вре­мя сво­бод­но­го про­бе­га мо­ле­ку­лы в га­зе, пе­рио­ды ко­ле­ба­ний кри­стал­лич. ре­шёт­ки твёр­до­го те­ла, вре­мя диф­фу­зии мо­ле­кул жид­ко­сти на рас­стоя­ния по­ряд­ка 0,1 нм. Кро­ме ре­ак­ции на боль­шие воз­му­ще­ния, М. с. под­чи­ня­ют­ся тем же тер­мо­ди­на­мич. за­ко­нам, что и рав­но­вес­ные со­стоя­ния. Мно­гие М. с. свя­за­ны с су­ще­ст­во­ва­ни­ем боль­ших энер­ге­тич. барь­е­ров или сил тре­ния в про­цес­се пе­ре­хо­да в тер­мо­ди­на­мич. рав­но­ве­сие. При фа­зо­вых пе­ре­хо­дах 1-го ро­да это ра­бо­та об­ра­зо­ва­ния за­ро­ды­ша но­вой фа­зы – жид­ко­сти при кон­ден­са­ции па­ра и льда при за­мер­за­нии жид­ко­сти. При этом М. с. яв­ля­ют­ся пе­ре­ох­ла­ж­дён­ный пар и пе­ре­ох­ла­ж­дён­ная жид­кость – со­стоя­ния, срав­ни­тель­но лег­ко осу­ще­ст­ви­мые в ла­бо­ра­то­рии и при­ро­де.

Фазовая диаграмма системы жидкость–пар с метастабильными состояниями пара (при давлении p=const).

Ус­ло­ви­ем тер­мо­ди­на­мич. рав­но­ве­сия фаз яв­ля­ет­ся ми­ни­мум сво­бод­ной энер­гии двух­фаз­ной сис­те­мы, т. е. ра­вен­ст­во хи­мич. по­тен­циа­лов фаз: $μ_1(T, p)=μ_2(T, p)$. На рис. та­ко­му ра­вен­ст­ву при за­дан­ном по­сто­ян­ном дав­ле­нии p от­ве­ча­ет темп-ра $T_\text e$. Сле­ва от сплош­ной вер­ти­каль­ной ли­нии ус­той­чи­ва жид­кость (фа­за 2), спра­ва – пар (фа­за 1). Хи­мич. по­тен­ци­ал мик­ро­ско­пич. ка­п­ли боль­ше, чем для ка­п­ли мак­ро­ско­пич. (бес­ко­неч­ных) раз­ме­ров, вслед­ст­вие боль­шой удель­ной по­верх­но­ст­ной энер­гии ма­лой ка­п­ли (ли­ния $μ'_2$ на рис.). По­это­му об­ласть ус­той­чи­во­сти фа­зы 1 от­но­си­тель­но та­кой ка­п­ли рас­ши­ря­ет­ся до вер­ти­каль­ной ли­нии $T'$. В про­цес­се ох­ла­ж­де­ния од­но­род­ной фа­зы 1 об­ра­зо­ва­ние но­вой фа­зы на­чи­на­ет­ся с ка­п­ли ми­ним. раз­ме­ров – по­ряд­ка 1 нм или ме­нее. Хи­мич. по­тен­ци­ал та­ких час­тиц (на­но­ча­стиц) мак­сима­лен (ли­ния $μ''_2$ на рис.). Точ­ке пе­ре­се­че­ния ли­ний $μ''_2$ и $μ_1$ от­ве­ча­ет на рис. темп-ра $T''$. В ин­тер­ва­ле тем­пе­ра­тур $T_\text e÷T''$ воз­мож­но су­ще­ст­во­ва­ние М. с. фа­зы 1. В этом ин­тер­ва­ле ка­ж­дой темп-ре $T'$ при не­из­мен­ном дав­ле­нии $p$ со­от­вет­ст­ву­ет свой раз­мер мик­ро­ско­пич. ка­п­ли жид­ко­сти – за­ро­ды­ша фа­зы 2. Он об­ра­зу­ет­ся в ка­че­ст­ве флук­туа­ции. Чем мень­ше раз­ность $T_\text e-T'$, тем боль­ше раз­мер за­ро­ды­ша (боль­ше флук­туа­ция) и боль­ше вре­мя су­ще­ст­во­ва­ния М. с. фа­зы 1.

К М. с. от­но­сят­ся и «сме­се­вые» сис­те­мы, та­кие как го­рю­чее (уголь, ке­ро­син и т. п.) и окис­ли­тель (ки­сло­род). Без за­жи­га­ния (силь­ное внеш­нее воз­му­ще­ние) они мо­гут со­сед­ст­во­вать сколь угод­но дол­го, хо­тя в со­стоя­нии тер­мо­ди­на­мич. рав­но­ве­сия – это про­дук­ты сго­ра­ния. Др. при­ме­ры М. с. – аморф­ные те­ла, по­ли­кри­стал­лы, за­ка­лён­ные спла­вы, мн. ми­не­ра­лы. С су­ще­ст­во­ва­ни­ем М. с. свя­за­ны яв­ле­ния гис­те­ре­зи­са.

2) М. с. кван­то­вой сис­те­мы, воз­бу­ж­дён­ное со­стоя­ние ядер, ато­мов, ио­нов и мо­ле­кул, имею­щее ано­маль­но боль­шое вре­мя жиз­ни $τ$ (т. е. ма­лую ве­ро­ят­ность спон­тан­но­го рас­па­да). Низ­кая ве­ро­ят­ность рас­па­да, как пра­ви­ло, свя­за­на с тем, что ра­диа­ци­он­ные пе­ре­хо­ды из М. с. в со­стоя­ние с мень­шей энер­ги­ей за­пре­ще­ны от­бо­ра пра­ви­ла­ми. Ес­ли для ато­ма в воз­бу­ж­дён­ном со­стоя­нии, из ко­то­ро­го раз­ре­ше­ны ра­диа­ци­он­ные пе­ре­хо­ды, ха­рак­тер­ное зна­че­ние $τ=$ 10^–8 с, то для ато­ма в М. с. зна­че­ние $τ$ мо­жет быть на мно­го по­ряд­ков боль­ше (напр., для ато­ма во­до­ро­да на верх­нем энер­ге­тич. уров­не сверх­тон­кой струк­ту­ры $τ=$ 10⁷ лет). Ана­ло­гич­но при ядер­ных ра­диа­ци­он­ных пе­ре­хо­дах ха­рак­тер­ное вре­мя жиз­ни воз­бу­ж­дён­но­го со­стоя­ния $τ=$ 10^–15–10^–9 с, в то вре­мя как для М. с. ра­дио­нук­ли­дов зна­че­ние $τ$ мо­жет дос­ти­гать мил­лио­нов лет.

М. с. ато­мов и ио­нов иг­ра­ют важ­ную роль в спек­тро­ско­пич. ди­аг­но­сти­ке плаз­мы, по­зво­ляя из­ме­рять её плот­ность по от­но­сит. ин­тен­сив­но­стям ли­ний спек­тра. М. с. ядер от­кры­ва­ют воз­мож­ность соз­да­ния дол­го­жи­ву­щих ра­дио­нук­ли­дов, ши­ро­ко ис­поль­зуе­мых в ме­ди­ци­не и тех­ни­ке. С М. с. мо­ле­кул свя­за­но так­же яв­ле­ние лю­ми­нес­цен­ции.