Metastabilität

Begriff und Grundprinzip

Metastabilität bezeichnet in Physik und Chemie eine schwache Form der Stabilität. Ein metastabiler Zustand widersteht kleinen Änderungen, kann aber durch eine ausreichend große Störung in einen stabileren Zustand übergehen. Das Compendium of Chemical Terminology, auch Gold Book genannt, definiert Metastabilität als lokales Minimum der molaren Gibbs-Energie.

Bildlich lässt sich ein metastabiles System durch mehrere Zustände beschreiben: Zustand 1 bleibt bei kleinen Störungen erhalten, geht nach einer großen Störung aber in den stabileren Zustand 3 über. Zustand 2 ist labil. Ein labiles System verlässt seinen Ausgangszustand bereits nach einer infinitesimalen, also beliebig kleinen Störung, und kehrt nicht dorthin zurück.

Viele natürliche Systeme sind metastabil. Deshalb beginnen beispielsweise Verbrennungen nicht von selbst, sondern erst nach einer ausreichenden Aktivierung. In der Quantenphysik wird der Begriff etwas anders verwendet: Dort heißen Zustände metastabil, wenn der Übergang in einen anderen Zustand nur mit sehr geringer Wahrscheinlichkeit erfolgt und sie deshalb eine lange Lebensdauer besitzen.

Energiebarriere und Aktivierung

In der klassischen Physik und Chemie befindet sich ein metastabiles System in einem lokalen Energieminimum, aber nicht im insgesamt stabilsten Zustand. Eine Energiebarriere verhindert oder verzögert den Übergang in den energieärmeren Zustand. Die dafür erforderliche Mindestenergie heißt Aktivierungsenergie.

Ein anschauliches Modell ist ein Ball in einer kleinen Mulde an einem Berghang. Wird er nur wenig ausgelenkt, rollt er zum tiefsten Punkt der Mulde zurück. Dieser Punkt entspricht einem lokalen Minimum der inneren Energie. Bei einer stärkeren Auslenkung überwindet der Ball jedoch die Begrenzung der Mulde, rollt den Hang hinunter und erreicht ein anderes lokales Minimum.

Metastabile Phasen besitzen eine höhere Energie als die stabile Phase. Genauer betrachtet ist ihre Freie Enthalpie unter festgelegten Bedingungen, etwa bei konstantem Druck und konstanter Temperatur, höher. Wegen einer hohen Aktivierungsenergie erfolgt die Umwandlung in die stabile Phase dennoch gar nicht oder nur langsam. Dieses Prinzip kann auch zur Energiespeicherung genutzt werden, beispielsweise grundsätzlich in Latentwärmespeichern.

Verbrennung als Beispiel

Ein typisches metastabiles System besteht aus Kohlenwasserstoffen und Luftsauerstoff bei Raumtemperatur. Thermodynamisch wäre die spontane Verbrennung des chemisch gebundenen Kohlenstoffs und Wasserstoffs zu Kohlenstoffdioxid und Wasser günstiger, weil dabei ein stabilerer und energieärmerer Zustand entsteht. Trotzdem setzt die Reaktion bei Raumtemperatur nicht von selbst ein, da zunächst Aktivierungsenergie zugeführt werden muss.

Beim Anzünden einer Kerze wird diese Energie bereitgestellt. Zuerst geht das Kerzenwachs vom festen in den gasförmigen Zustand über. Anschließend müssen die Gase bis zur Zündtemperatur erwärmt werden. Erst danach beginnt die eigentliche chemische Reaktion, also die Verbrennung des Kerzenwachses. Wird die Energiezufuhr vorher unterbrochen, kühlt das Wachs wieder ab und die Reaktion bleibt aus.

Metastabile Stoffe und Phasen

Diamant ist ein Beispiel für eine metastabile Phase. Bei Atmosphärendruck sollte er sich spontan in Graphit umwandeln. Bei Zimmertemperatur ist die Geschwindigkeit dieses Vorgangs jedoch verschwindend klein.

Ein weiteres Beispiel ist die Zinnpest: Unterhalb von 13 °C wird die metallische Phase des Zinns metastabil. Sie wandelt sich langsam in die bei diesen Temperaturen stabilere nichtmetallische Phase um.

Weitere metastabile Systeme sind unterkühltes Wasser, übersättigte Lösungen und amorphe Materialien wie Glas. Beim Glas wären kristalline Silikate der stabilste Zustand. Übersättigte Lösungen werden beispielsweise in Handwärmern verwendet.

Metastabile Quantenzustände

In der Quantenphysik, besonders in der Atomphysik und Quantenoptik, heißen Zustände metastabil, wenn sie keine stationären Zustände der jeweils betrachteten Dynamik sind, im Vergleich zu deren Zeitskala aber eine lange Lebensdauer besitzen. Ein stationärer Zustand würde sich im betrachteten Zusammenhang nicht zeitlich verändern; ein metastabiler Quantenzustand kann dagegen zerfallen, tut dies jedoch nur mit geringer Übergangswahrscheinlichkeit.

Beispiele sind angeregte Zustände von Atomen, deren spontaner Zerfall durch Auswahlregeln verlangsamt wird. Auswahlregeln bestimmen, welche Übergänge zwischen Quantenzuständen möglich oder stark unterdrückt sind. In der Kernphysik werden entsprechend auch langlebige angeregte Zustände von Atomkernen als metastabil bezeichnet. Solche Zustände heißen Kernisomere.