מצב מטסטבילי

בתרמודינמיקה, מצב מטסטבילי או מצב יציב למחצה הוא מצב במערכת תרמודינמית בעל זמן מחצית חיים קצר מאוד ביחס למצבים אחרים, יציבים, במערכת. האנרגיה של מצב מטסטבילי היא מינימום מקומי אך לא מינימום מוחלט של המערכת.

בדוגמה יומיומית, מצב מטאסטבילי דומה לערמה לא יציבה של חפצים: הערמה עלולה ליפול עקב כל מגע קל, או סתם ליפול מעצמה. כאשר החפצים בערימה האנרגיה גבוהה מאוד אך היא במינימום מקומי, כי אפשר לנדנד אותה בעדינות רבה והיא תישאר עומדת. כאשר כל החפצים נפלו לרצפה הם במצב יציב, כי האנרגיה שלהם במצב הנמוך ביותר במערכת.

דוגמה קלאסית למצב תרמודינמי מטאסטבילי היא קירור-על: כאשר מקררים מים מזוקקים במקפיא הם יכולים להתקרר הרבה מעבר לטמפרטורת הקיפאון, אך כל מגע קל מקפיא את המים באופן מיידי.

בתורת הקוונטים

בתורת הקוונטים מצבי האנרגיה הם בדידים, כלומר אנרגיה של חלקיק יכולה להיות אחת מסדרה של ערכים. המצב בעל האנרגיה הנמוכה ביותר נקרא מצב היסוד של המערכת, שאליו היא תגיע לאחר זמן מספיק ארוך. לשאר המצבים יש זמני חיים שונים.

פליטה רדיואקטיבית

גרעין של אטום רדיואקטיבי נמצא במצב מטאסטבילי: זמן מחצית החיים שלו ארוך מספיק כדי להתקיים כחומר בפני עצמו, אך בהדרגה הגרעינים מתפרקים למצבים יציבים יותר. בפליטה רדיואקטיבית סך האנרגיה של התוצרים נמוכה יותר מהאנרגיה של הגרעין המקורי. לעיתים המצב החדש הוא גם מטסטבילי והגרעין מתפרק בשרשרת תגובות, שבסופה מתקבל המצב היציב בעל האנרגיה הנמוכה ביותר.

היפוך אוכלוסייה

היפוך אוכלוסייה הוא מצב תרמודינמי שבו מרבית האטומים במערכת הם במצב קוונטי מטסטבילי בעל אנרגיה גבוהה. מצב זה הכרחי למשל כדי ליצור לייזר. כדי להגיע למצב היפוך משתמשים ברמה מטסטבילית עם זמן חיים קצר בהרבה מהרמה המבוקשת, ועם אנרגיה גבוהה יותר מהרמה הגבוהה המבוקשת (פעולה הנקראת שאיבה קוונטית). האלקטרונים נופלים מהר מאוד מהרמה היותר גבוהה לרמה המבוקשת, ונשארים בה מספיק זמן ליצירת פליטה מאולצת.

קישורים חיצוניים

• מצב מטסטבילי, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)