Wie wird die Zufälligkeit des radioaktiven Zerfalls einzelner Atome experimentell verifiziert?

Lassen Sie mich ein Experiment beschreiben, das ich in der Graduiertenschule (nicht mehr so ​​neu) durchgeführt habe, um den Zerfall von Myonen kosmischer Strahlung zu erkennen. Hier ist eine detaillierte Beschreibung eines sehr ähnlichen Experiments wie dem, das ich gemacht habe. Obwohl das Experiment Myonen beinhaltet, hängt die Antwort, die ich geben werde, nicht von diesem Detail ab, außer in einigen Details des experimentellen Aufbaus. Die Prinzipien der Quantenmechanik hängen nicht von dem spezifischen Teilchen ab, das Sie verwenden. Wenn Sie das nicht glauben, könnten Sie sich vorstellen, Varianten des folgenden Verfahrens mit verschiedenen Arten von zerfallenden Partikeln durchzuführen, und Sie würden immer die gleichen Antworten auf Ihre Fragen finden.

Das Verfahren ist, dass wir eine Kiste hatten, um Myonen einzufangen. Die Box bestand aus einem Szintillatorkristall (Material, das bei Anregung Lichtblitze aussendet) zusammen mit Photomultiplier-Röhren, die an der Ober- und Unterseite der Box angebracht waren. Die Photomultiplier-Röhren messen Lichtblitze (a) wenn ein Myon den Kristall durchquert (dh wenn es in die Box eintritt oder sie verlässt) oder (b) wenn ein Myon-Zerfallsprodukt (Elektron) auf den Kristall trifft. Es gibt auch zufällige Blitze aufgrund von Prozessen, die nichts mit Myonen zu tun haben.

Es gibt eine Logik, die Sie implementieren müssen, um zu bestimmen, welche der Signale, die Sie erkennen, von einem zerfallenen Myon stammen, im Gegensatz zu Myonen, die den Detektor passieren oder von einem Kern eingefangen werden oder auf Ereignisse zurückzuführen sind, die nichts mit dem Kosmos zu tun haben Strahlen. Es ist nicht allzu schwer, dies zu tun, und die Details sind in dem PDF, das ich oben verlinkt habe.

Sobald Sie festgestellt haben, welche Ereignisse Myonen sind, die in die Box eingedrungen sind und dann zerfallen, besteht unser Datensatz aus zwei Dingen:

• Die Zeit, zu der das Myon in die Box eingetreten ist
• Die Zeit, zu der das Myon zerfallen ist

Wenn wir diese beiden subtrahieren, erhalten wir die Zerfallszeit für jedes einzelne Myon.

Während der Zweck des Labors darin bestand, die Lebensdauer zu bestimmen (grob gesagt durch Berechnung der durchschnittlichen Zerfallszeit von Myonen), hätten wir die Daten verwenden können, um Ihre Fragen zu beantworten, etwa so:

Der Zerfall eines einzelnen Atoms kann nicht vorhergesagt werden, er ist wirklich zufällig

Betrachtet man die Zerfallszeiten der Myonen der Reihe nach, so ist kein Muster erkennbar. Sie können auch überprüfen, ob es keine Korrelationen zwischen Abklingzeiten gibt (z. B.: es gibt keine Korrelation zwischen dem Wert der 1. beobachteten Abklingzeit und der 4.). Sie können sogar überprüfen, ob die erhaltene Sequenz mit der Poisson-Statistik übereinstimmt, und zwar, wenn Sie das Experiment wiederholen$N$mal jeweils mit$M$Myon-Ereignisse, die Verteilung der Sequenzen, die Sie erhalten, wird konsistent sein$N$zeichnet Sequenzen mit Länge$M$aus einer Poisson-Verteilung.

Sie können versuchen, Algorithmen zu erfinden, um die nächste Myon-Zerfallszeit vorherzusagen, wenn Sie alle Myon-Zerfallszeiten berücksichtigen, die Sie bis zu diesem Zeitpunkt gesehen haben. Soweit irgendjemand nach etwa hundert Jahren Quantentheorie (je nachdem, wie man zählt) sagen konnte, und wie die Quantenmechanik fest vorhersagt, gibt es keine Möglichkeit, Informationen zur Vorhersage einer individuellen Myonlebensdauer zu verwenden.

der Zerfall eines einzelnen Atoms wird nicht von seiner Umgebung beeinflusst

Sie können das Experiment wiederholen, indem Sie Details des Aufbaus ändern, wie den Raum, in dem Sie sich befinden, den Szintillatorkristall, das Material, aus dem die Box besteht, die Temperatur der Box ändern usw. Sie werden den Wert finden, den Sie für die Lebensdauer erhalten nicht ändern.

die Zerfallswahrscheinlichkeit ist über die Zeit konstant und unabhängig von den vorherigen Wechselwirkungen des Atoms

Sie können dieses Experiment mehrmals zu verschiedenen Tageszeiten, zu verschiedenen Jahreszeiten, zu verschiedenen Jahren usw. wiederholen, und Sie werden die gleiche durchschnittliche Zerfallszeit für das Myon finden. Tatsächlich können Sie die Tatsache, dass es eine „richtige“ Antwort gibt, die Sie in diesem Labor bekommen sollen, die ich bekommen habe, und die Jahrzehnte von „Kindern“ vor mir auch bekommen haben, als Beweis dafür ansehen, dass sich die Lebensdauer im Laufe der Zeit nicht ändert .

die Zerfallswahrscheinlichkeit ist für alle Atome desselben Elements gleich

Da die Myonen im Experiment immer unterschiedlich sind (da sie aus unterschiedlichen kosmischen Strahlen hervorgehen), werden durch mehrmaliges Wiederholen des Experiments auch die Ergebnisse mit unterschiedlichen Myonen getestet.

In den letzten hundert Jahren wurden viele Proben radioaktiver Isotope über einen längeren Zeitraum überwacht. Sie alle zeigen eine exponentielle Zerfallsrate. Dies zeigt an, dass eine feste Fraktion der Atome in der Probe in einer bestimmten Zeitspanne zerfallen wird, was nur aus einer festen Wahrscheinlichkeit resultieren kann, dass irgendein Atom innerhalb dieser Zeit zerfallen wird. Es scheint unwahrscheinlich, dass der Aufruhr innerhalb eines Kerns durch seine Umgebung oder Geschichte beeinflusst wird.