준안정성

Metastability
디지털 전자제품의 준안정성에 대해서는 준안정성(전자공학)을 참조하십시오.
약한 결합의 준안정 상태 (1)와 전이적인 '안장' 구성 (2)와 강한 결합의 안정 상태 (3).

화학 및 물리학에서 준안정성은 시스템의 최소 에너지 상태 이외의 동적 시스템 내의 중간 에너지 상태를 의미합니다.경사면의 공동에 놓여 있는 공은 준안정성의 단순한 예입니다.공을 살짝만 밀면 다시 움푹 패이지만 더 세게 밀면 공이 슬로프를 굴러 내려오기 시작할 수 있습니다.볼링 핀은 잠시 흔들리거나 완전히 뒤집히는 등 비슷한 전이성을 보인다.과학에서 전이성의 일반적인 예는 이성화이다.높은 에너지 이성질체는 잠재 에너지에서 (가능성이 큰) 장벽에 의해 선호되는 지면 상태로 재배열되는 것을 방해하기 때문에 수명이 길다.

유한 라이프 타임이 준거 가능한 상태에서는 모든 상태 설명 파라미터가 정지값에 도달하여 고정값을 유지합니다.격리:

  • 시스템에 더 많은 외부 에너지가 추가될 때까지 시스템이 무기한 동안 상주하는 유일한 에너지 상태(즉, "절대 안정적인" 상태)입니다.
  • 시스템은 (높은 에너지의) 다른 모든 상태를 자발적으로 남겨두고 최종적으로 (일련의 전환 후에) 가장 에너지 없는 상태로 돌아갑니다.

준안정성 개념은 1차 위상 전이의 물리학에서 비롯되었다.그 후, 그것은 (원자핵 또는 원자에서) 집합된 아원자 입자 또는 분자, 고분자 또는 원자와 분자의 군집 연구에서 새로운 의미를 얻었다.이후 의사결정 및 정보 전달 시스템 연구를 위해 차용되었다.

준안정성은 원자(다체 조립체)에서 분자 수준 또는 전체적으로 분자(점액체, 비정질 고체, 액정, 광물 등)의 통계 앙상블에 이르기까지 물리학과 화학에서 일반적이다(아래 물질과 입자 더미의 준안정 상태 참조).국가의 풍부성은 시스템이 커짐에 따라 그리고/또는 상호 상호작용의 힘이 공간적으로 덜 균일하거나 더 다양할 때 더 널리 퍼져 있다.

전자 회로, 신호 전달, 의사결정, 신경 및 면역 시스템과 같은 동적 시스템에서는 외부 영향에 대한 활성 또는 반응 패턴의 시간 불변성이 안정성과 전이성을 정의합니다(아래 뇌 전이성 참조).이러한 시스템에서 분자 시스템의 열변동에 상당하는 것은 신호 전파와 의사결정에 영향을 미치는 "백색 노이즈"입니다.

통계물리학 및 열역학

비균형 열역학은 불안정한 상태를 통해 분자의 통계 앙상블의 역학을 연구하는 물리학의 한 분야이다.가장 낮은 에너지 상태에 있지 않고 열역학적 수조에 "고착"되는 것은 운동 안정성을 가지거나 운동학적으로 영속적인 것으로 알려져 있다.관련된 원자의 특정 운동이나 동역학은 바람직한 (저에너지) 대안이 있음에도 불구하고 고착을 초래했다.

물질 상태

물질의 준안정 상태(또는 전이라고도 함)는 녹는 고체(또는 동결 액체), 끓는 액체(또는 응축 기체), 승화 고형물에서 과냉각 액체 또는 과열 액체-가스 혼합물에 이르기까지 다양하다.매우 순수한 과냉각수는 0°C 미만으로 액체를 유지하며, 가해진 진동이나 응축 시드 도핑이 결정화 중심을 시작할 때까지 액체 상태를 유지합니다.이것은 대기 구름 방울의 일반적인 상황입니다.

응축물 및 고분자

준안정상은 응축물질과 결정학에서 흔히 볼 수 있다.특히, 이것은 이산화티타늄의 준안정성 다형질인 아나타아제가 해당되는데, 아나타아제는 일반적으로 낮은 표면 에너지로 인해 많은 합성 과정에서 형성되는 첫 단계임에도 불구하고 항상 준안정성이 있으며, 루타일은 모든 온도와 [1]압력에서 가장 안정적인 단계이다.또 다른 예로, 다이아몬드는 매우 높은 압력에서만 안정적인 상이지만 표준 온도와 압력에서는 준전이 가능한 형태의 탄소입니다.흑연(및 남은 운동 에너지)으로 변환될 수 있지만, 활성화 에너지 즉 중간 언덕을 극복한 후에만 변환됩니다.마르텐사이트는 대부분의 강철의 경도를 제어하는 데 사용되는 준안정상입니다.실리카의 준안정성 다형이 일반적으로 관찰된다.예를 들어 고체 붕소의 동소체 등 안정상의 시료를 얻는 것이 [2]어려운 경우가 있다.

DNA, RNA, 단백질과 같은 고분자의 구성 요소 사이의 결합 또한 전이될 수 있다.아데노신 삼인산은 생물학에서 [3]여러 가지 방법으로 사용될 수 있는 "에너지 가득"으로 구어체적으로 묘사되는 매우 전이성 분자입니다.

일반적으로 유화/콜로이드계 및 안경은 전이성이 있다. 예를 들어 실리카 유리의 전이성은 우주의 수명인 약 14/10년에9 비해 10년의98 수명으로 특징지어진다.

모래톱은 가파른 경사면이나 터널이 있는 경우 준안정성을 보이는 시스템 중 하나입니다.모래 알갱이는 마찰로 인해 더미를 형성한다.큰 모래 더미 전체가 안정된 지점까지 도달하는 것은 가능하지만, 한 알의 입자가 더해지면 많은 부분이 붕괴됩니다.

눈사태는 가파른 경사면에 쌓인 눈과 얼음 결정체들로 잘 알려져 있다.건조한 상태에서는 눈 경사면이 모래 언덕과 비슷하게 작용합니다.스키 선수의 존재, 심지어 큰 소음이나 진동으로 인해 눈 언덕 전체가 갑자기 미끄러질 수 있습니다.

양자역학

양자역학(핵자 내부의 쿼크, 원자핵 내부의 핵자, 원자 내부의 전자, 분자 또는 원자 클러스터)에 의해 기술된 아원자 입자 집합체 시스템은 구별 가능한 많은 상태를 가지고 있는 것으로 밝혀졌다.이 중 하나(또는 작은 축퇴 세트)는 무한히 안정적입니다.그라운드 상태 또는 글로벌 최소값입니다.

그라운드 상태(또는 그로 인해 퇴화된 상태) 이외의 모든 상태는 [5]더 높은 에너지를 가집니다.이러한 모든 다른 상태 중에서 준안정 상태는 [citation needed]집합의 최단 수명 상태보다 최소2 10배에서3 10배 더 긴 수명을 가진 상태입니다.

준안정 상태는 장수명('근접' 에너지 구성에 대해 국소적으로 안정적)이지만 영원하지는 않다(지구적 최소값).들뜨면(지상 상태의 에너지)은 결국 보다 안정적인 상태로 붕괴되어 에너지를 방출합니다.실제로 절대 영점 이상에서는 시스템의 모든 상태가 붕괴할 확률이 0이 아닙니다. 즉, 자발적으로 다른 상태(일반적으로 에너지에서 더 낮은 상태)로 떨어집니다.이를 위한 메커니즘 중 하나는 터널링을 사용하는 것입니다.

핵물리학

원자핵의 일부 에너지 상태(공간 질량, 전하, 스핀, 이소스핀 분포가 구별됨)는 다른 것(동위원소 핵 이성질체)보다 훨씬 더 오래 산다(예: 테크네튬-99m).[6]탄탈-180m 동위원소는 준안정 들뜬 상태이지만 붕괴가 관찰되지 않을 정도로 수명이 길며 반감기는 현재 우주의 나이보다 300만 배 이상 긴 4.5×[7][8]10년으로16 계산된다.

원자 및 분자 물리학

일부 원자 에너지 수준은 전이 가능합니다.Rydberg 원자는 준안정 들뜬 원자 상태의 한 예이다.준안정 들뜸 수준으로부터의 전환은 일반적으로 전기 쌍극자 선택 규칙에 의해 금지된다.즉, 이 레벨로부터의 이행은 비교적 일어날 가능성이 낮습니다.어떤 의미에서는, 준안정적인 형태에서 우연히 발견되는 전자가 거기에 갇히게 된다.물론 준안정 상태로부터의 전환이 불가능한 것은 아니기 때문에(단순히 가능성이 낮지만), 전자는 결국 전기 4극 전이 또는 종종 비방사성 탈여자(예: 충돌 탈여자)에 의해 덜 에너지적인 상태로 붕괴된다.

이러한 준안정 상태의 느린 감소 특성은 먼저 밝은 빛에 노출됨으로써 충전될 수 있는 야광 장난감에서 볼 수 있는 광발광의 일종인 인광에서 뚜렷하게 나타납니다.원자의 자발적 방출은 대략 10초 정도의−8 일반적인 시간 척도를 가지고 있는 반면, 준안정 상태의 붕괴는 일반적으로 밀리초에서 분까지 걸릴 수 있습니다. 그래서 인광에서 방출되는 빛은 보통 약하고 오래 지속됩니다.

화학

다음 항목도 참조하십시오.화학적 안정성과 화학적 평형 metast 준안정성 혼합물

화학 시스템에서 화학 결합의 변화를 수반하는 원자 또는 분자의 시스템은 비교적 오랜 시간 동안 지속되는 준안정 상태에 있을 수 있습니다.분자의 진동과 열운동은 둥근 언덕 꼭대기의 에너지와 맞먹는 화학종을 매우 단명하게 만듭니다.수초(또는 수년) 동안 지속되는 준안정 상태는 가능한 가장 낮은 계곡이 아닌 에너지 계곡에서 발견됩니다(그림의 포인트 1).전이성의 일반적인 유형은 이성질체이다.

특정 화학 시스템의 안정성 또는 준안정성은 환경, 특히 온도와 압력에 따라 달라집니다.안정성과 준안정성 사이의 차이는 중요한 결과를 가져올 수 있다.예를 들어 잘못된 결정 다형이 있으면 제조와 [9]투여 사이에 보관 중에 약물이 고장날 수 있다.압력, 온도 및/또는 조성의 함수로서 어떤 상태가 가장 안정적인지를 위상도라고 합니다.특정 상태가 가장 안정적이지 않은 지역에서는 여전히 전이될 수 있습니다.반응 중간체는 비교적 수명이 짧으며, 일반적으로 열역학적으로 불안정하다.IUPAC 에서는, 이것들을 준안정성이 [10]아니고 일시적인 것으로 참조할 것을 권장합니다.

준안정성은 질량분석[11] 및 분광화학에서 [12]특정 상황을 언급하기 위해 사용된다.

전자 회로

디지털 회로는 입력 변경 후 일정 시간 내에 소수의 안정된 디지털 상태로 발견됩니다.그러나 잘못된 순간에 입력이 변경되면 피드백을 사용하는 디지털 회로(플립 플랍과 같은 단순한 회로도)가 준안정 상태로 전환되어 최종적으로 완전히 안정된 디지털 상태로 정착하는 데 무제한의 시간이 걸릴 수 있습니다.

계산신경과학

뇌의 전이성은 인간의 뇌가 패턴을 인식하는 방법을 설명하기 위해 컴퓨터 신경과학에서 연구된 현상이다.여기서 준안정성이라는 용어는 다소 느슨하게 사용된다.낮은 에너지 상태는 없지만, 뇌에는 한동안 지속되고 일반적인 평형 상태와는 다른 반일시적인 신호가 있다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ 2011년 재료 과학 저널의 루타일 변환에 대한 혐오 검토
  2. ^ van Setten; Uijttewaal; de Wijs; de Groot (2007). "Thermodynamic stability of boron: the role of defects and zero point motion" (PDF). JACS. 129 (9): 2458–2465. doi:10.1021/ja0631246. PMID 17295480. S2CID 961904.
  3. ^ Haldane, J. B. S. (1964). "Eighteen: Genesis of Life". In D. R., Bates (ed.). The Planet Earth (2nd ed.). Germany: Pergamon Press. p. 332. ISBN 1483135993. Retrieved May 29, 2017. This is a highly stable molecule. About 11,500 calories of free energy are liberated when it is hydrolized to phosphate and adenosine-diphosphate (ADP).
  4. ^ M.I. 오조반, W.E. 리, S.N. 칼미코프핵폐기물 고정화에 대한 소개.제3판, 암스테르담 엘세비에르, 페이지 323 (2019)
  5. ^ Hobson, Art (2017). Tales of the Quantum: Understanding Physics' Most Fundamental Theory. Oxford University Press. ISBN 9780190679637.
  6. ^ "Technetium-99m". Hyperphysics.
  7. ^ Conover, Emily (2016-10-03). "Rarest nucleus reluctant to decay". Retrieved 2016-10-05.
  8. ^ Lehnert, Björn; Hult, Mikael; Lutter, Guillaume; Zuber, Kai (2017). "Search for the decay of nature's rarest isotope 180mTa". Physical Review C. 95 (4): 044306. arXiv:1609.03725. Bibcode:2017PhRvC..95d4306L. doi:10.1103/PhysRevC.95.044306. S2CID 118497863.
  9. ^ 제약업계의 프로세스 화학.쿠마르 G. 가다마세티 편집장1999, 375-378페이지
  10. ^ "IUPAC Gold Book – transient (chemical) species". doi:10.1351/goldbook.T06451. {{cite journal}}:Cite 저널 요구 사항 journal=(도움말)
  11. ^ "IUPAC Gold Book – metastable ion in mass spectrometry". doi:10.1351/goldbook.M03874. {{cite journal}}:Cite 저널 요구 사항 journal=(도움말)
  12. ^ "IUPAC Gold Book – metastable state in spectrochemistry". doi:10.1351/goldbook.M03876. {{cite journal}}:Cite 저널 요구 사항 journal=(도움말)