Woher "wissen" Teilchen, wann sie zerfallen sollen?

So wie ich es verstehe, sagt uns die Halbwertszeit in einer Substanz, die aus radioaktiven Elementen besteht, wie lange es dauert, bis die Hälfte dieser Atome in ihr nächstes Atom zerfällt [gibt es einen Namen dafür: das Element oder das Isotop, das ist das Ergebnis eines früheren radioaktiven Zerfalls?]. Meine Frage ist, gibt es eine Art Muster, nach dem Atome zu welchem ​​Zeitpunkt zerfallen, oder ist es eine wundersame Eigenschaft der Quantenmechanik, dass jedes Atom irgendwie weiß, wann es zerfallen muss? oder verstehe ich den radioaktiven Zerfall nur falsch?

Sind die Partikel verwickelt oder auf andere Weise verbunden (abgesehen von ihren molekularen Bindungen)? Wenn es keine bekannten Antworten gibt, würde ich ernsthafte, führende Theorien bevorzugen.

Damit die Teilchen auf andere zeitabhängige Weise zerfallen, müssten sie wissen, wann Ihr Zerfallsexperiment begonnen hat. Was würde diese physische Uhr starten? Ein Nukleus weiß nichts davon, dass du da sitzt mit einem Zähler, Bleistift und einem Blatt Papier für das Diagramm.
Im Wesentlichen das gleiche wie Wissen wir wirklich nicht, warum Atome „entscheiden“, ein Photon zu erzeugen? , weil das Aussenden eines Photons auch nur ein "Zerfall" in einen niedrigeren Energiezustand ist.
Versuchen Sie, Atome nicht als Geist zu betrachten, das hilft sehr, wenn Sie die "mysteriöse" Physik entwirren. Und lassen Sie sich nicht davon abhalten, eine Erklärung zu bekommen, die es Ihnen eigentlich nicht erlaubt, etwas anderes als vorher vorauszusehen – wenn ich Ihnen sage, ja, die Teilchen sind verschränkt, was erlaubt Ihnen das, vorauszusehen? Sie erhalten nur ein praktisches Etikett für dasselbe Mysterium - lassen Sie Ihre Verwirrung nicht verschwinden, nur weil Sie einen Namen dafür hinzugefügt haben :)) Allerdings ist der radioaktive Zerfall so zufällig, dass wir ihn tatsächlich verwenden, um wirklich zufällige Zahlen zu erzeugen - Es ist völlig staatenlos.
@Luaan Aber wenn wir 100 m ^ 3 einer radioaktiven Substanz haben, sie zerfallen lassen und dann zufällig Blöcke davon in zufälligen Zeitintervallen zerhacken, hätte dann nicht jeder Block immer noch den gleichen Gesamtzerfall? Zumindest bei makroskopischen Größen? Ist das nur eines dieser "damit umgehen"-Dinge?
Ja, jeder Block hätte immer noch den gleichen Gesamtzerfallsprozentsatz pro Zeit - aber das ist wirklich alles darüber, wie Wahrscheinlichkeiten im Allgemeinen funktionieren. Genau dasselbe würde zum Beispiel mit einem zerhackten thermodynamischen Prozess oder mit einer zerhackten Münzwurf-Meisterschaft passieren. Es ist nichts "Unverständliches", es braucht nur das Verständnis von Wahrscheinlichkeiten; Das Problem ist, dass die Leute daran scheiße sind :D Wenn Sie eine hypothetische Münze werfen, besteht eine 50% ige Chance, dass es Zahl ist. Ein anderer, das sind wieder 50% für Schwänze. Es spielt keine Rolle, was der vorherige Wurf war. Die Wahrscheinlichkeit, zweimal hintereinander Zahl zu werfen, liegt jedoch bei 25 %.

Antworten (3)

Es gibt keine Muster. Wenn ein Teilchen zerfällt, ist der Moment, in dem es dies tut, absolut zufällig und wird aus der Verteilung ausgewählt

P D e C A j ( T < T < T + D T ) = D T T 0 ⋅ exp ⁡ ( − T / T 0 )
Für T = T 0 , dem Beginn der Zeit, als wir wussten, dass das Teilchen noch existiert, ist die Exponentialfunktion gleich eins und wir sehen, dass die „Wahrscheinlichkeit des Zerfalls pro Zeiteinheit“ ist 1 / T 0 . Da die Wahrscheinlichkeit, dass das Teilchen noch existiert, exponentiell abnimmt, nimmt auch die Wahrscheinlichkeit ab, dass es zu einem späteren Zeitpunkt zerfällt.

Die Zufälligkeit der Abklingzeit ist nur ein weiteres Beispiel für die Zufälligkeit, die die Quantenmechanik, das Grundgerüst für alle Gesetze der Physik seit 1925, für jedes Phänomen in der Natur vorhersagt.

In der am weitesten verbreiteten Beschreibung der Quantenmechanik wird das zerfallende Teilchen durch eine Wellenfunktion beschrieben. Und diese Wellenfunktion entwickelt sich zu einer Überlagerung der nicht zerfallenen und (verschiedenen) zerfallenen Komponenten, und die Wahrscheinlichkeitsamplitude (Wert der Wellenfunktion), die mit dem nicht zerfallenen Teilchen verbunden ist, nimmt ab als exp ⁡ ( − T / 2 T 0 ) . Diese Wahrscheinlichkeitsamplitude muss quadriert werden und das Ergebnis exp ⁡ ( − T / T 0 ) , gibt uns die Wahrscheinlichkeit, dass das Teilchen noch nicht zerfallen ist.

Theorien, die versuchen würden, einen "internen" Grund zu finden, warum das Teilchen in dem gegebenen Moment zerfallen ist, werden "Theorien mit verborgenen Variablen" genannt und können sich als falsch herausstellen - entweder inkompatibel mit den Experimenten über den Zerfall in diesem Fall oder mit Experimenten, die den Zerfall stützen Spezielle Relativitätstheorie. Physiker müssen also die intrinsische Zufälligkeit der Natur als Tatsache annehmen. Die Zufälligkeit der Abklingzeit ist der perfekte Zufallsgenerator der Natur, einer, der nicht getäuscht oder betrogen werden kann.

Sie können nicht vorhersagen, welches bestimmte Partikel zu einem bestimmten Zeitpunkt zerfallen wird, aber Sie können den Prozentsatz aller Partikel vorhersagen, die bis zu diesem Zeitpunkt nicht zerfallen sein werden. Ist das ein richtiges Verständnis? Können Sie anhand seiner Struktur bestimmen, wie stabil ein Element ist, und können Sie die Stabilität zwischen Elementen vergleichen?
Ja, der Prozentsatz der Teilchen, die zu einem bestimmten Zeitpunkt zerfallen sein werden, ist berechenbar. Aber die genaue Ganzzahl kann schwanken. Also, wenn Sie erwarten N Partikel im Durchschnitt bis zu einem bestimmten Moment zerfallen, was Sie in Wirklichkeit erhalten werden N ± N oder so – der Fehler ist vergleichbar mit der Quadratwurzel von N , eine ziemlich übliche Sache bei zufälligen Prozessen. Und ja, wir haben auch die Theorien, die es uns – zumindest im Prinzip und oft in der Praxis – erlauben, die Halbwertszeiten für alle Teilchen oder Kerne usw. zu berechnen. Es ist klar, warum einige Isotope schneller zerfallen, andere weniger schnell und andere stabil.
Nur um sicher zu gehen. Der Prozentsatz der zerfallenen Teilchen (gleicher Art) ist nichts anderes als die Wahrscheinlichkeit, dass ein bestimmtes von ihnen zerfallen ist.

Gibt es ein Muster, nach dem Atome zu welchem ​​Zeitpunkt zerfallen, oder ist es eine wundersame Eigenschaft der Quantenmechanik, dass jedes Atom irgendwie weiß, wann es zerfallen muss?

Atome sind dumm. Sie wissen nichts. Radioaktiver Zerfall ist ein erinnerungsloser Prozess, ein Prozess, der nicht von der Geschichte abhängt. Stellen Sie sich drei Atome von Radon 222 vor. Eines wurde vor einem Monat (8 Halbwertszeiten), ein weiteres vor vier Tagen (~ 1 Halbwertszeit) und das dritte vor 12 Stunden (~ 1/8 Halbwertszeit) erzeugt. Welcher wird als nächstes verfallen? Die Atome wissen es nicht. Niemand weiß; tatsächlich kann niemand wissen. Jedes der drei Atome hat genau die gleiche kleine Chance, in der nächsten Minute zu zerfallen.

Radioaktiver Zerfall ist das kanonische Beispiel eines Poisson-Prozesses. Wissen (oder Zustand) ist in einem Poisson-Prozess nicht erforderlich. Der Staat mischt sich ein. Ein idealer Poisson-Prozess ist zustandslos und gedächtnislos. Während es viele, viele Beispiele für Prozesse gibt, deren Wahrscheinlichkeitsverteilung nahe an Poisson liegt, kommt ihr nichts näher als der radioaktive Zerfall.

Wenn wir also 1 kg radioaktives Material mit einer Halbwertszeit von 5 Jahren nehmen und es uns nach 5 Jahren ansehen, besteht die Möglichkeit, dass alles verschwindet? Wenn viele, viele Atome vorhanden sind, kann die Halbwertszeit statistisch gelten, aber da sie für ein einzelnes Atom völlig zufällig ist, können nicht alle Atome in 1 kg Materie einfach entscheiden, in der nächsten Minute zu zerfallen?
@uylmz Ja, es besteht die Möglichkeit, dass 1 kg Material mit einer Halbwertszeit von fünf Jahren in der nächsten Minute zerfallen könnte. Es ist jedoch eine so lächerlich geringe Möglichkeit, dass man berechtigterweise sagen kann, dass dies nicht passieren würde. Ein einzelnes Atom mit einer Halbwertszeit von fünf Jahren hat eine Wahrscheinlichkeit von weniger als eins zu einer Million, in der nächsten Minute zu zerfallen. Die Wahrscheinlichkeit, dass $10^{20)$ Atome dies tun, ist so sehr, sehr gering, dass es im Grunde nicht passieren kann.

Sie haben gerade vernünftige Antworten von sachkundigen Leuten gelesen, also wissen Sie jetzt, dass "radioaktiver Zerfall ... - es ist völlig zustandslos (@Luaan)", "Es gibt keine Muster" (@Luboš Motl) und "Atome sind dumm" ( @ David Hammen). Allerdings gehört noch ein bisschen mehr dazu. Atome mögen dumm sein, aber sie kennen die Quantenmechanik viel besser als wir Normalsterblichen. Es kann also Zufälligkeit geben, aber es kann keine vollkommene Zufälligkeit geben. Jemand Khalfin hat vor vielen Jahren gezeigt, dass ein streng exponentieller Zerfall nicht mit der Quantentheorie vereinbar ist, es muss einige winzige Abweichungen geben, sowohl zu sehr kurzen als auch zu sehr langen Zeiten. Bitte beachten Sie die Verweise auf theoretische und experimentelle Arbeiten in meiner Antwort unter Bedeutet die durchschnittliche Lebensdauer überhaupt etwas?

Woher "wissen" Teilchen, wann sie zerfallen sollen?
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