Warum zerfallen nicht alle Atome eines radioaktiven Stoffes gleichzeitig?

Das Zerfallsphänomen ist eine rein quantenmechanische Eigenschaft. Dieses Problem ist äquivalent zu einem Teilchen in einem endlichen Potentialtopf und einem niedrigeren Potentialzustand, der außerhalb des Topfes verfügbar ist. Wenn die Energie des Teilchens in der Vertiefung klassischerweise niedriger als die Potentialbarriere ist, wird es niemals den niedrigeren Zustand erreichen. Durch die Quantenmechanik kann das Teilchen durch die Barriere in den niedrigeren Zustand tunneln, aber seine Chance, dies zu erreichen, ist sehr, sehr gering (in tatsächlichen Situationen). Außerdem ist seine Tunnelwahrscheinlichkeit unabhängig vom Zustand anderer Teilchen, und die vorherigen Tunnelversuche des Teilchens ändern nicht seine Wahrscheinlichkeit, das nächste Tunneln zu erreichen (keine Erinnerung). Jetzt können Sie mit einigen mathematischen Werkzeugen aus der Wahrscheinlichkeitstheorie beweisen, dass die Wahrscheinlichkeit jedes Teilchens, zu tunneln, eine exponentielle Wahrscheinlichkeitsdichte hat,

Frei gesprochen hat jedes einzelne Atom den Wunsch, stabil zu werden, aber das führt zu einer Wahrscheinlichkeit des Zerfalls. Das bedeutet, da es Milliarden und Abermilliarden von Atomen in einem makroskopisch bedeutenden Stück Material gibt, dass es immer unwahrscheinliche Überbleibsel geben wird, und diese Überbleibsel sind für die Strahlung verantwortlich, die nach dem anfänglichen Moment der Schöpfung anhält.

Wenn Sie sich die Zeit wie eine tickende Uhr vorstellen und Sie einen Klumpen radioaktiven Materials haben, bei dem die Atome bei jedem Tick eine Chance von x% haben, zu zerfallen, dann gehen Sie bei jedem Tick der Uhr durch die verbleibenden Atome und fragen sie: "Zerfallen Sie dieses Mal ?" Im Durchschnitt sagen x % von ihnen "Ja".

Es gibt auch eine Beobachtungsverzerrung in unserer allgemeinen Intuition. Die meisten sehr radioaktiven Elemente sind bereits zerfallen, was bedeutet, dass wir bei „Radioaktivität“ an relativ inaktive Elemente wie Cäsium oder Uran denken. Diese haben Halbwertszeiten, die in Hunderten von Millionen oder Milliarden von Jahren gemessen werden. Ihre Atome verspüren keinen großen Wunsch, stabil zu werden, verglichen mit einigen der sehr instabilen Elemente, die Menschen geschaffen haben. Die Halbwertszeiten dieser Elemente werden in Sekundenbruchteilen gemessen, und in diesem Fall ist Ihre Intuition von „plötzlicher Aktivitätsspitze, dann weg“ richtig. Wenn Sie einen Uranklumpen über einen Zeitraum betrachten würden, der ein Vielfaches seiner Halbwertszeit ist (also Hunderte von Milliarden Jahren), würden Sie dasselbe Phänomen beobachten: eine riesige Spitze oder Aktivität, dann ist alles so gut wie weg. Jedoch,

Mathematisch (Umschreibung ausstehend)

Alle Atome haben zu jedem Zeitpunkt die gleiche Chance zu zerfallen.
Wenn Sie mehr davon am selben Ort haben, haben Sie einfach eine größere Chance, dass sie verfallen.

Es ist wie beim Würfeln, Sie haben eine Chance von 1 zu 6, eine 6 zu bekommen.
Wenn Sie 100 Würfel haben, haben Sie eine 100-mal höhere Chance, eine 6 zu bekommen. Sie haben also mehr 6-er.
Außer man betrügt ;)

Es hat im Grunde damit zu tun, dass der Kernzerfall ein quantenmechanischer Prozess ist und quantenmechanische Prozesse nicht im herkömmlichen Sinne deterministisch sind, dh man kann unter bestimmten Bedingungen nicht genau vorhersagen, was in einem bestimmten Prozess passieren wird die Wahrscheinlichkeit, dass etwas passiert. In diesem Fall erfolgt der Kernzerfall durch quantenmechanisches Tunneln, ein Prozess, bei dem Teilchen aufgrund der Unsicherheit ihrer Position spontan auf der anderen Seite einer scheinbar undurchdringlichen Potentialbarriere (in diesem Fall durch die Kernkraft erzeugt) "erscheinen". Mit diesem Tunnelprozess ist eine Wahrscheinlichkeit verbunden, und diese Wahrscheinlichkeit bestimmt die Zerfallsrate von Kernen. In einem makroskopischen "Stück" Materie scheinen die Kerne mit einer stetigen Geschwindigkeit zu zerfallen,

Abgesehen von der offensichtlichen Antwort der Zufälligkeit in der Wahrscheinlichkeitsverteilung hängt das Zerfallsereignis jedes Atoms von seiner Gesamtenergie ab, die mit der derzeitigen Technologie nicht einzeln gemessen werden kann. Beispielsweise kann es in einem Gas enthalten sein, in dem die Dichte in einem Bereich des Gases etwas höher ist als in anderen Bereichen und möglicherweise mehr "Kollisionen" (Wechselwirkungen) unterliegt, sodass sich sein Grundzustand von anderen Atomen im Gas unterscheidet. Die statistische Mechanik kann diese Frage nicht beantworten, aber neue Ideen in der Quantenentropie könnten eines Tages ...