Warum zerfallen nicht alle instabilen Atomkerne auf einmal?

4 Antworten

Vom Fragesteller als hilfreich ausgezeichnet

Du schreibst die Isotope "müssten sie sich ja doch in irgendetwas unterscheiden". Und vielleicht tun sie es ja, wir wissen es nur nicht?

Oder anders gesagt: Die Vorstellungen,

  • in jedem Atom befinde sich ein kleiner Mann der würfelt (und wenn er 10 Sechsen hat, zerfällt das Atom) oder
  • Atome hätten ein komplexes Innenleben, das irgendwann ihren Zerfall bestimmt,

sind ja beide mit den unseren physikalischen Beobachtungen vereinbar.

Die Physik hat es im letzten Jahrhundert geschafft, ihre eigenen Grenzen zu akzeptieren, zu erkennen, dass nicht alles messbar oder gar vorhersagbar ist.

In diesen Bereichen kann die Physik dann halt nur noch Wahrscheinlichkeitsaussagen machen.

Aber für Beobachter auf der makroskopischen Ebene hilft dann das Gesetz der großen Zahl.

Beispiel: Obwohl die Trilliarden Gasmoleküle in einem Raum wild und unkoordiniert umherschwirren, hat man als Beobachter den Eindruck eines homogenen Gases. Die Moleküle sprechen sich nicht ab, aber einfach weil es so viele sind, kommen wahrnehmbare Druckschwankungen praktisch nicht vor. Theoretisch wäre es ja sogar denkbar, dass die Moleküle mal zufällig alle mehr an die Wände fliegen und in der Mitte ein Vakuum entsteht. Aber die Wahrscheinlichkeit für so ein Ereignis ist unvorstellbar gering.

Und genauso entsteht bei radioaktiven Isotopen eine schön gleichmäßig aussehende Zerfallskurve, obwohl jedes Atom einzeln für sich völlig willkürlich über seinen Zerfall "entscheidet".

In der Statistik kann man das alles schön in Formeln hinschreiben. ;-)

Danke für die Antwort. Gerade im Bereich der Thermophysik muß man aufgrund der großen Ereignismengen auf die Statistik zurückgreifen. Das ist für mich auch völlig legitim, solange die grundlegenden Prozesse im Detail geklärt sind. Wir können für das einzelne Teilchen erklären, wie Temperatur zu Druck- und Volumenänderung bei größeren Mengen führen.

Was ich beim Phänomen des radioaktiven Zerfalls nicht verstehe, ist der Ablauf im Detail. Selbst sehr einfach aufgebaute Atomkerne wie z.B. Tritium müssten in irgendeiner Form Träger von Information sein. Daß der Zerfall eine Funktion der Zeit ist, ist nur makroskopisch relevant. Ich komme mit dem Begriff "spontan" in diesem Zusammenhang nicht zurecht und wollte wissen, ob mir hier einfach nur das Verständnis fehlt. Aber da selbst Elementarteilchen wie Proton und Neutron zerfallen, bleibt für die vier Grundkräfte irgendwie nicht mehr viel Ansatz, denn die Zerfallsrate nimmt ja nicht automatisch mit Komplexerwerdung des Isotops zu, sondern gehorcht anderen Gesetzen. Welchen? Und wenn wir mit E=mc² das Energieäquivalent einer Masse beschreiben wollen, müssen wir dann nicht alle Energiearten im Kern kennen?

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@andisazi

OK, Du willst es genau wissen, Du willst es erklären.

Das versucht die aktuelle Lehrmeinung gar nicht erst. Sie zieht sich einfach elegant aus der Affäre mit dem Begriff der Wahrscheinlichkeit.

Und das finde ich eigentlich eine Stärke. Es wird immer Grenzen unseres Wissens geben. Und die Physik ist heutzutage in der Lage, damit zu leben und kann wenigstens noch Wahrscheinlichkeitsaussagen machen.

Du gehst von den "vier Grundkräften" aus. Für die heutige Physik bestehen Protonen und Neutronen nur aus Quarks. Vielleicht könnte man aber auch eine viel genauere Strukturbeschreibung finden.

Ich will es mal mit einem anderen Blickwinkel verdeutlichen: Nehmen wir an, mega-makroskopische Forscher schauen sich die Erde an. Und sie nehmen sie im Prinzip nur als einen Punkt wahr. Sie machen mit der Zeit viele Versuche mit lauter Erden, beschießen sie mit anderen Erden, bekommen vielleicht irgendwann gerademal heraus, dass so eine Erde aus Wasser und Siliziumdioxid besteht. Mehr geben ihre Messinstrumente nicht her. Vielleicht entdecken sie irgendwann noch den Stickstoff. Vielleicht, vielleicht nach laaanger Zeit würden sie eventuell sogar Kohlenwasserstoffe finden. Aber sie würden es nicht schaffen, auch nur annähernd einen Eindruck von der biologischen Vielfalt auf dem Planeten zu bekommen. Dass es sogar vernunftbegabte Wesen darauf gibt. Die sogar Zivilisationen erschaffen. Und manchmal würden die Zivilisationen sich so in eine Sackgasse entwickeln, dass sie die ganze Erde in die Luft sprengten. Das würden die Mega-Makro-Forscher dann wieder merken: Spontaner Erdzerfall!

Uns blieb zum Glück erspart, dass wir unseren Planeten hochgejagt hätten.

Aber was spricht dagegen, dass Quarks ein reiches Innenleben haben?

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@sunito

Im Prinzip nix...LOL ... wir drehen uns im Kreis...

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Das ist einer der grossen ungeklärten Fragen der Physik, ähnlich wie auch jeder Siedeprozess: Warum verdampft eine erhitzte Flüssigkeit nicht explosionsartig, auch nicht wenn man für maximal homogene Temperaturverteilung sorgt?

Da kommen, glaube ich, Grenzflächeneffekte und Konzentrationsgefälle ins Spiel. Der Prozeß Verdampfen ist ja auch von vielen Variablen abhängig: Druck, Volumen, Temperaturgefälle, Konzentrationsgefälle in der flüssigen und gasförmigen Phase, Stoffart, Brückenbindung... Bei dieser Vielfalt gehe ich mit dem statistischen Prinzip durchaus mit. Die Halbwertszeit ist aber dem Isotop immanent, quasi eingebaut. Und mich interessiert, wo...

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@andisazi

Hast recht, der Vergleich hinkt. Aber zumindest ist es so, dass wenn man alle Atome durchnummerieren und von weitem beobachten könnte, wird man nie voraussagen können, welches Atom jetzt als nächstes und übernächstes zerfallen bzw. in den Gaszustand übertreten wird. Es ist reine Zufallsstatistik, und genau das bestimmt die Ermittelbarkeit und Beobachtbarkeit physikalischer Gesetze. Schon phänomenal...

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Die Halbwertszeit ist in der Kernphysik diejenige Zeitspanne, in der die Menge eines bestimmten radioaktiven Stoffs auf die Hälfte gesunken ist; die andere Hälfte ist nicht verschwunden, sondern hat sich in ein anderes Nuklid umgewandelt (das seinerseits ebenfalls radioaktiv sein kann oder nicht). Für jedes Nuklid ist die Halbwertszeit eine Konstante. Die Halbierung gilt allerdings nur als statistischer Mittelwert; man findet sie umso genauer bestätigt, je mehr Moleküle oder Atome die betrachtete Probe noch enthält. Die Umwandlung eines einzelnen Atomkerns kann zeitlich nicht vorhergesagt werden, sondern es kann lediglich eine Wahrscheinlichkeit für diese Umwandlung innerhalb eines gegebenen Zeitintervalls angegeben werden (Zerfallswahrscheinlichkeit λ, siehe unten). Die Wahrscheinlichkeit, dass ein betrachteter einzelner Kern sich innerhalb der ersten Halbwertszeit umwandelt, beträgt 50 %, dass er sich innerhalb von 2 Halbwertszeiten umwandelt, 50 % + 25 % = 75 %, bei 3 Halbwertszeiten beträgt der Wert 50 % + 25 % + 12,5 % = 87,5 %, usw. .

Die Anzahl der verbleibenden Kerne zu einer bestimmten Zeit ist durch das Zerfallsgesetz (siehe oben) gegeben.

Rein mathematisch betrachtet verschwindet die radioaktive Substanz also nie. Physikalisch ist natürlich mit der Umwandlung des letzten Atoms eine Grenze gesetzt (die Substanz komplett verschwunden). Oft nutzt man als Abschätzung für die Zeitdauer bis zur Bedeutungslosigkeit einer radioaktiven Strahlenquelle die zehnfache Halbwertszeit, was einer Abnahme auf das 2-10-fache (= 1/1024, also weniger als ein Tausendstel) entspricht.

Das ist richtig, doch der Umstand, daß man nur mit einer statistischen Größe operieren kann, impliziert ja Unterschiede im Detail. Wir sprechen aber nicht von einer Menschenmenge, sondern einer Menge definitionsgemäß gleicher Isotope. Wenn sie sich unterscheiden, dann wie? Und wenn nicht, warum sind dann die Zerfallszeiten der einzelnen Kerne so extrem unterschiedlich, die Zerfallsrate aber konstant?

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@andisazi

weil das rein statistische annahmen sind... das ist einfach das mittelmaß, aus dem was beobachtet wurde, es kann passieren, dass schubweise recht viele kerne zerfallen, zu anderer berechneter zeit aber wieder nur ein oder zwei...

unterscheiden wird sich bei den kernen nicht viel, die einen "entscheiden" sich halt eher zum zerfall, die anderen später... das hängt imho auch von einigen anderen äußeren einflüssen ab, und auch davon wie sich benachbarte atome verhalten, etc pp

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@Gene515

Aber ständig "entscheiden" sich gleich viele Kerne zum Zerfall. Das genau hebelt ja die Statistik aus: die Wahrscheinlichkeit dieser Konstanz über sehr lange Zeiträume ist im Vergleich zu Unregelmäßigkeiten verschwindend gering. Und die Wahrscheinlichkeit genau dieser Konstanz an jeder Stelle des Isotops quasi absurd. Vergleiche das mal mit der Ermittlung der Verkehrsdichte auf deutschen Straßen. Statistisch gesehen gibts da einen Wert, aber sowohl die Verkehrsdichte als auch der Durchsatz an Fahrzeugen schwankt in deutlich messbaren Dimensionen... Jetzt gibt es vielleicht für jeden Autofahrer einen Grund, gerade jetzt zu fahren... Aber wo ist der Grund für einen Isotopenkern, gerade jetzt zu zerfallen?

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