Metastability
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रसायन विज्ञान और भौतिकी में, मेटास्टेबिलिटी सिस्टम की जमीनी अवस्था के अलावा एक गतिशील प्रणाली के भीतर एक मध्यवर्ती ऊर्जा स्तर को दर्शाता है।
ढलान पर खोखले में आराम करने वाली गेंद मेटास्टेबिलिटी का एक सरल उदाहरण है। यदि गेंद को केवल थोड़ा धक्का दिया जाता है, तो वह वापस अपने खोखले में बैठ जाएगी, लेकिन एक मजबूत धक्का गेंद को ढलान पर लुढ़कना शुरू कर सकता है। बोलिंग पिन या तो केवल एक पल के लिए डगमगाने या पूरी तरह से पलटने से समान मेटास्टेबिलिटी दिखाते हैं। विज्ञान में मेटास्टेबिलिटी का एक सामान्य उदाहरण आइसोमेराइजेशन है। उच्च ऊर्जा आइसोमर्स लंबे समय तक जीवित रहते हैं क्योंकि उन्हें संभावित ऊर्जा में बाधाओं (संभवतः बड़े) द्वारा उनकी पसंदीदा जमीनी स्थिति में पुनर्व्यवस्थित करने से रोका जाता है।
परिमित जीवनकाल की एक मेटास्टेबल स्थिति के दौरान, सभी राज्य-वर्णन करने वाले पैरामीटर स्थिर मूल्यों तक पहुंचते हैं और धारण करते हैं। एकांत में:
- कम से कम ऊर्जा की स्थिति केवल एक ही है जो सिस्टम अनिश्चित समय तक बनी रहेगी, जब तक कि सिस्टम में अधिक बाहरी ऊर्जा नहीं जोड़ी जाती (अद्वितीय बिल्कुल स्थिर स्थिति);
- सिस्टम स्वचालित रूप से किसी भी अन्य राज्य (उच्च ऊर्जा के) को छोड़ देगा और अंत में (संक्रमण के अनुक्रम के बाद) कम से कम ऊर्जावान स्थिति में वापस आ जाएगा।
मेटास्टेबिलिटी अवधारणा की उत्पत्ति चरण संक्रमण के भौतिकी में हुई #आधुनिक वर्गीकरण|प्रथम-क्रम चरण संक्रमण। इसके बाद इसने एकत्रित उप-परमाणु कणों (परमाणु नाभिक या परमाणुओं में) या अणुओं, मैक्रोमोलेक्यूल्स या परमाणुओं और अणुओं के समूहों के अध्ययन में नया अर्थ प्राप्त किया। बाद में इसे निर्णय लेने और सूचना प्रसारण प्रणालियों के अध्ययन के लिए उधार लिया गया था।
भौतिक विज्ञान और रसायन विज्ञान में मेटास्टेबिलिटी आम है - एक परमाणु (कई-बॉडी असेंबली) से अणुओं के सांख्यिकीय समूहों (चिपचिपा तरल पदार्थ, अनाकार ठोस, तरल क्रिस्टल, खनिज, आदि) आणविक स्तरों पर या पूरे के रूप में (देखें #मामले की अवस्थाएं) और # संघनित पदार्थ और मैक्रोमोलेक्युलस नीचे)। राज्यों की बहुतायत अधिक प्रचलित है क्योंकि सिस्टम बड़े होते हैं और / या यदि उनकी पारस्परिक बातचीत की ताकत स्थानिक रूप से कम समान या अधिक विविध होती है।
सिस्टम की गतिशीलता (फीडबैक के साथ) जैसे इलेक्ट्रॉनिक सर्किट, सिग्नल ट्रैफिकिंग, डिसीजनल, न्यूरल और इम्यून सिस्टम, - समय-अपरिवर्तनीय प्रणाली | बाहरी प्रभावों के संबंध में सक्रिय या प्रतिक्रियाशील पैटर्न का टाइम-इनवेरिएंस स्थिरता और मेटास्टेबिलिटी को परिभाषित करता है (# देखें) कम्प्यूटेशनल तंत्रिका विज्ञान नीचे)। इन प्रणालियों में, आणविक प्रणालियों में थर्मल उतार-चढ़ाव के बराबर सफेद शोर होता है जो सिग्नल प्रसार और निर्णय लेने को प्रभावित करता है।
सांख्यिकीय भौतिकी और ऊष्मप्रवैगिकी
गैर-संतुलन ऊष्मप्रवैगिकी भौतिकी की एक शाखा है जो अस्थिर अवस्थाओं के माध्यम से अणुओं के सांख्यिकीय समूहों की गतिशीलता का अध्ययन करती है। सबसे कम ऊर्जा अवस्था में बिना थर्मोडायनामिक गर्त में फंसने को गतिज स्थिरता या गतिज रूप से स्थिर होने के रूप में जाना जाता है। बेहतर (कम-ऊर्जा) विकल्प होने के बावजूद शामिल परमाणुओं की विशेष गति या रासायनिक कैनेटीक्स अटक गई है।
पदार्थ की अवस्थाएं
पदार्थ की मेटास्टेबल अवस्थाएं (मेटास्टेट के रूप में भी संदर्भित) पिघलने वाले ठोस (या ठंडे तरल पदार्थ), उबलते तरल पदार्थ (या संघनक गैसों) और उच्च बनाने की क्रिया (चरण संक्रमण) से लेकर सुपरकूलिंग तरल पदार्थ या अति ताप तरल-गैस मिश्रण तक होती हैं। अत्यधिक शुद्ध, सुपरकूल्ड पानी 0 डिग्री सेल्सियस से नीचे तरल रहता है और ऐसा तब तक बना रहता है जब तक कि लागू कंपन या कंडेनसिंग सीड डोपिंग क्रिस्टलीकरण केंद्र शुरू नहीं कर देता। वायुमंडलीय बादलों की बूंदों के लिए यह एक सामान्य स्थिति है।
संघनित पदार्थ और मैक्रोमोलेक्यूल्स
संघनित पदार्थ और क्रिस्टलोग्राफी में मेटास्टेबल चरण आम हैं। विशेष रूप से, यह एनाटेज के लिए मामला है, रंजातु डाइऑक्साइड का एक मेटास्टेबल बहुरूपता, जो आमतौर पर इसकी निचली सतह ऊर्जा के कारण कई संश्लेषण प्रक्रियाओं में बनने वाला पहला चरण होने के बावजूद, हमेशा मेटास्टेबल होता है, जिसमें रूटाइल सभी तापमानों पर सबसे स्थिर चरण होता है। और दबाव।[1] एक अन्य उदाहरण के रूप में, हीरा बहुत उच्च दबावों पर एक स्थिर चरण है, लेकिन तापमान और दबाव के लिए मानक स्थितियों में कार्बन का मेटास्टेबल रूप है। इसे ग्रेफाइट (साथ ही बची हुई गतिज ऊर्जा) में परिवर्तित किया जा सकता है, लेकिन केवल एक सक्रियण ऊर्जा - एक मध्यवर्ती पहाड़ी पर काबू पाने के बाद। मार्टेंसाईट एक मेटास्टेबल चरण है जिसका उपयोग अधिकांश स्टील की कठोरता को नियंत्रित करने के लिए किया जाता है। क्वार्ट्ज के मेटास्टेबल बहुरूपता (सामग्री विज्ञान) आमतौर पर देखे जाते हैं। कुछ मामलों में, जैसे ठोस बोरॉन के आवंटनों में, स्थिर चरण का एक नमूना प्राप्त करना कठिन होता है।[2] डीएनए, आरएनए और प्रोटीन जैसे पॉलीमर के बिल्डिंग ब्लॉक्स के बीच के बंधन भी मेटास्टेबल होते हैं। एडेनोसाइन ट्रायफ़ोस्फेट एक अत्यधिक मेटास्टेबल अणु है, जिसे बोलचाल की भाषा में ऊर्जा से भरपूर बताया जाता है जिसका जीव विज्ञान में कई तरह से उपयोग किया जा सकता है।[3] सामान्यतया, पायसन / कोलाइडल सिस्टम और काँच मेटास्टेबल होते हैं। सिलिका ग्लास की मेटास्टेबिलिटी, उदाहरण के लिए, 10 के क्रम में जीवनकाल की विशेषता है98 वर्ष[4] (ब्रह्मांड के जीवनकाल की तुलना में, जिसके बारे में सोचा जाता है 14×109 साल)।[citation needed] एबेलियन सैंडपाइल मॉडल एक ऐसी प्रणाली है जो एक खड़ी ढलान या सुरंग मौजूद होने पर मेटास्टेबिलिटी प्रदर्शित कर सकती है। घर्षण के कारण बालू का ढेर बन जाता है। एक पूरे बड़े रेत के ढेर के लिए यह संभव है कि वह उस बिंदु तक पहुंच जाए जहां वह स्थिर हो, लेकिन एक दाने के जुड़ने से उसका बड़ा हिस्सा ढह जाता है।
हिमस्खलन एक प्रसिद्ध समस्या है जिसमें खड़ी ढलानों पर बर्फ और बर्फ के क्रिस्टल के बड़े ढेर होते हैं। शुष्क परिस्थितियों में, बर्फ के ढलान सैंडपाइल्स के समान कार्य करते हैं। एक स्कीयर की उपस्थिति, या यहां तक कि तेज शोर या कंपन के कारण बर्फ का एक पूरा पहाड़ अचानक फिसल सकता है।
क्वांटम यांत्रिकी
क्वांटम यांत्रिकी (न्युक्लियोन के अंदर क्वार्क, परमाणु नाभिक के अंदर न्यूक्लियॉन, परमाणुओं, अणुओं या परमाणु समूहों के अंदर इलेक्ट्रॉन) द्वारा वर्णित उप-परमाणु कणों की एकत्रित प्रणालियों में कई अलग-अलग अवस्थाएँ पाई जाती हैं। इनमें से एक (या एक छोटा डीजेनरेट ऊर्जा स्तर) अनिश्चित रूप से स्थिर है: जमीनी स्थिति या वैश्विक न्यूनतम।
जमीनी स्थिति (या जो इसके साथ पतित हैं) के अलावा अन्य सभी राज्यों में उच्च ऊर्जा है।[5] इन सभी अन्य राज्यों में, मेटास्टेबल राज्य वे हैं जिनका आधा जीवन कम से कम 10 तक चलता है2 से 103 सेट के सबसे कम समय तक रहने वाले राज्यों की तुलना में अधिक समय तक।[6] एक मेटास्टेबल अवस्था तब दीर्घजीवी होती है ('पड़ोसी' ऊर्जाओं के विन्यास के संबंध में स्थानीय रूप से रासायनिक स्थिरता) लेकिन शाश्वत नहीं (जैसा कि वैश्विक मैक्सिमा और मिनिमा है)। उत्साहित होने के नाते - जमीनी अवस्था से ऊपर की ऊर्जा - यह अंततः एक अधिक स्थिर अवस्था में क्षय हो जाएगी, ऊर्जा जारी करेगी। दरअसल, पूर्ण शून्य से ऊपर, एक प्रणाली के सभी राज्यों में क्षय होने की गैर-शून्य संभावना होती है; वह है, अनायास दूसरी अवस्था में गिरना (आमतौर पर ऊर्जा में कम)। ऐसा होने का एक तंत्र क्वांटम टनलिंग के माध्यम से है।
परमाणु भौतिकी
एक परमाणु नाभिक के कुछ ऊर्जावान राज्य (विभिन्न स्थानिक द्रव्यमान, आवेश, स्पिन, समभारिक प्रचक्रण वितरण वाले) दूसरों की तुलना में अधिक लंबे समय तक जीवित रहते हैं (परमाणु आइसोमर # समान आइसोटोप के मेटास्टेबल आइसोमर्स), उदा। टेक्नेटियम -99 m.[7] टैंटलम#टैंटलम-180m|टैंटलम-180m के आइसोटोप, हालांकि एक मेटास्टेबल उत्तेजित अवस्था होने के नाते, लंबे समय तक जीवित रहते हैं कि इसे कभी भी क्षय के लिए नहीं देखा गया है, आधे जीवन की गणना कम से कम की जाती है 4.5×1016 साल,[8][9] ब्रह्मांड की वर्तमान आयु से 3 मिलियन गुना अधिक।
परमाणु और आणविक भौतिकी
कुछ परमाणु ऊर्जा स्तर मेटास्टेबल हैं। Rydberg परमाणु मेटास्टेबल उत्तेजित परमाणु अवस्थाओं का एक उदाहरण हैं। मेटास्टेबल उत्साहित स्तरों से संक्रमण आमतौर पर विद्युत द्विध्रुवीय चयन नियमों द्वारा निषिद्ध हैं। इसका मतलब यह है कि इस स्तर से किसी भी बदलाव की अपेक्षाकृत संभावना नहीं है। एक मायने में, एक इलेक्ट्रॉन जो मेटास्टेबल कॉन्फ़िगरेशन में खुद को खोजने के लिए होता है, वहां फंस जाता है। बेशक, चूंकि एक मेटास्टेबल राज्य से संक्रमण असंभव नहीं है (केवल कम संभावना है), इलेक्ट्रॉन अंततः एक कम ऊर्जावान राज्य में क्षय हो जाएगा, आमतौर पर एक विद्युत चौगुनी संक्रमण से, या अक्सर गैर-विकिरण संबंधी डी-उत्तेजना (जैसे, संपार्श्विक डी) द्वारा -उत्तेजना)।
मेटास्टेबल स्थिति की यह धीमी-क्षय संपत्ति स्फुरदीप्ति में स्पष्ट है, चमक-में-अंधेरे खिलौनों में देखी जाने वाली फोटोलुमिनेसेंस की तरह जिसे पहले उज्ज्वल प्रकाश के संपर्क में आने से चार्ज किया जा सकता है। जबकि परमाणुओं में स्वतःस्फूर्त उत्सर्जन 10 के क्रम में एक विशिष्ट टाइमस्केल होता है-8 सेकंड, मेटास्टेबल अवस्थाओं के क्षय में आमतौर पर मिलीसेकंड से मिनट लग सकते हैं, और इसलिए फॉस्फोरेसेंस में उत्सर्जित प्रकाश आमतौर पर कमजोर और लंबे समय तक चलने वाला होता है।
रसायन विज्ञान
रासायनिक प्रणालियों में, परमाणुओं या अणुओं की एक प्रणाली जिसमें रासायनिक बंधन में परिवर्तन शामिल है, एक मेटास्टेबल अवस्था में हो सकता है, जो अपेक्षाकृत लंबे समय तक रहता है। आणविक कंपन और तापमान रासायनिक प्रजातियों को एक गोल पहाड़ी की चोटी के ऊर्जावान समतुल्य बनाते हैं जो बहुत ही कम समय तक जीवित रहते हैं। मेटास्टेबल स्थितियाँ जो कई सेकंड (या वर्षों) तक बनी रहती हैं, ऊर्जावान घाटियों में पाई जाती हैं जो सबसे कम संभव घाटी नहीं हैं (चित्रण में बिंदु 1)। मेटास्टेबिलिटी का एक सामान्य प्रकार समरूपता है।
किसी दिए गए रासायनिक प्रणाली की स्थिरता या मेटास्टेबिलिटी उसके पर्यावरण, विशेष रूप से तापमान और दबाव पर निर्भर करती है। एक स्थिर बनाम मेटास्टेबल इकाई के उत्पादन के बीच के अंतर के महत्वपूर्ण परिणाम हो सकते हैं। उदाहरण के लिए, गलत क्रिस्टल बहुरूपता (सामग्री विज्ञान) होने से निर्माण और प्रशासन के बीच भंडारण के दौरान दवा की विफलता हो सकती है।[10] दबाव, तापमान और/या संरचना के कार्य के रूप में किस राज्य का नक्शा सबसे स्थिर है, चरण आरेख के रूप में जाना जाता है। उन क्षेत्रों में जहां कोई विशेष राज्य सबसे अधिक स्थिर नहीं है, यह अभी भी मेटास्टेबल हो सकता है। प्रतिक्रिया मध्यवर्ती अपेक्षाकृत अल्पकालिक होते हैं, और आमतौर पर मेटास्टेबल के बजाय थर्मोडायनामिक रूप से अस्थिर होते हैं। शुद्ध और व्यावहारिक रसायन के अंतर्राष्ट्रीय संघ ने इन्हें मेटास्टेबल के बजाय क्षणिक के रूप में संदर्भित करने की सिफारिश की है।[11] मास स्पेक्ट्रोमेट्री में विशिष्ट स्थितियों को संदर्भित करने के लिए मेटास्टेबिलिटी का भी उपयोग किया जाता है[12] और स्पेक्ट्रोकैमिस्ट्री।[13]
इलेक्ट्रॉनिक सर्किट
एक इनपुट परिवर्तन के बाद एक निश्चित समय के भीतर एक डिजिटल सर्किट को कम संख्या में स्थिर डिजिटल अवस्थाओं में पाया जाना चाहिए। हालाँकि, यदि कोई इनपुट गलत समय पर बदल जाता है तो एक डिजिटल सर्किट जो फीडबैक (यहां तक कि एक साधारण सर्किट जैसे फ्लिप-फ्लॉप (इलेक्ट्रॉनिक्स) | फ्लिप-फ्लॉप) को नियोजित करता है, इलेक्ट्रॉनिक्स में मेटास्टेबिलिटी हो सकता है और अंत में एक में व्यवस्थित होने के लिए एक अनबाउंड लंबाई ले सकता है। पूरी तरह से स्थिर डिजिटल स्थिति।
कम्प्यूटेशनल तंत्रिका विज्ञान
मस्तिष्क में मेटास्टेबिलिटी एक घटना है जिसका अध्ययन कम्प्यूटेशनल न्यूरोसाइंस में किया जाता है ताकि यह पता लगाया जा सके कि मानव मस्तिष्क पैटर्न को कैसे पहचानता है। यहाँ, मेटास्टेबिलिटी शब्द का प्रयोग शिथिल रूप से किया जाता है। कोई निम्न-ऊर्जा अवस्था नहीं है, लेकिन मस्तिष्क में अर्ध-क्षणिक संकेत हैं जो कुछ समय के लिए बने रहते हैं और सामान्य संतुलन अवस्था से भिन्न होते हैं।
यह भी देखें
- झूठा वैक्यूम
- हिस्टैरिसीस
- मेटास्टेट
संदर्भ
- ↑ Review of the anatase to rutile transformation in the Journal of Materials Science 2011
- ↑ 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.
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