Relaxation (Naturwissenschaft)

Relaxation bezeichnet im naturwissenschaftlichen Bereich den Übergang eines Systems über Relaxationsprozesse in seinen Grundzustand oder in einen Gleichgewichtszustand (häufig nach einer Anregung oder einer äußeren Störung).

Die Relaxationszeit (genauer Relaxationszeitkonstante[Anm. 1]) beschreibt die charakteristische Zeit[Anm. 2], in welcher sich ein System (meist exponentiell) dem stationären Zustand annähert. Anschaulich hat sich das System nach der Dauer einer Relaxationszeitkonstante merklich auf seinen Gleichgewichtszustand zubewegt; nach der Dauer von drei bis sechs Relaxationszeitkonstanten kann man gewöhnlich von einer weitgehend abgeschlossenen Relaxation ausgehen. Der Kehrwert der Relaxationszeitkonstante wird als Relaxationsrate bezeichnet.

Wenn die Relaxation einer Größe vom Anfangswert zum asymptotischen Endwert einem exponentiellen Gesetz folgt:

dann ist die zugehörige Relaxationszeitkonstante und die Relaxationsrate.

Nach der Zeit (Halbwertzeit) hat sich die Größe bis auf die Hälfte dem Endwert angenähert, nach auf ca. 36,8 % (), nach bis auf ca. 13,5 % und nach bis auf ca. 5,0 %; d. h., das System ist zu diesem Zeitpunkt zu ca. 95 % (also fast vollständig) relaxiert.

Im Falle komplizierterer (zum Beispiel gestreckt-exponentieller) Zeitabhängigkeiten kann man die Relaxationszeit definieren als

In der Festkörperphysik und Oberflächenchemie wird das Vorliegen von veränderten Atomabständen an oder nahe der Festkörperoberfläche als (Oberflächen-)Relaxation bezeichnet. Hierbei handelt es sich nicht um einen dynamischen Relaxationsprozess im Sinne der oben gegebenen Beschreibung.

Exponentielle Relaxation einer Größe vom Ausgangswert zum Gleichgewichtswert im Fall .