¿Cómo "saben" las partículas cuándo decaer?

Entonces, según tengo entendido, en una sustancia que está hecha de elementos radiactivos, la vida media nos dice cuánto tiempo transcurre hasta que la mitad de esos átomos se descomponen en su siguiente átomo [¿hay algún nombre para eso: el elemento o isótopo que es ¿el resultado de una desintegración radiactiva previa?]. Mi pregunta es, ¿hay algún tipo de patrón según el cual los átomos se descomponen en qué momento, o es alguna propiedad milagrosa de la mecánica cuántica que de alguna manera cada átomo sabe cuándo decaer? ¿O simplemente entiendo incorrectamente la desintegración radiactiva?

¿Están las partículas entrelazadas o unidas de alguna otra manera (aparte de sus enlaces moleculares)? Si no hay respuestas conocidas, preferiría cualquier teoría seria y líder.

Para que las partículas se desintegren de alguna otra manera dependiente del tiempo, tendrían que saber cuándo comenzó su experimento de descomposición. ¿Qué pondría en marcha ese reloj físico? Un núcleo no sabe nada de ti sentado allí con un contador, un lápiz y una hoja de papel para el diagrama.
Esencialmente lo mismo que ¿ Realmente no sabemos por qué los átomos 'deciden' producir un fotón? , porque emitir un fotón también es solo una "desintegración" a un estado de menor energía.
Intenta no pensar en los átomos como mentes, ayuda mucho a la hora de desenredar la física "misteriosa". Y no se detenga al obtener una explicación que en realidad no le permite anticipar nada diferente a lo que había hecho antes. Si le digo que sí, las partículas están entrelazadas, ¿qué le permitirá anticipar eso? Solo está obteniendo una etiqueta conveniente para el mismo misterio: no deje que su confusión desaparezca solo porque le agregó un nombre :)) Dicho esto, la descomposición radiactiva es tan aleatoria que en realidad la estamos usando para generar números verdaderamente aleatorios - Es completamente apátrida.
@Luaan Pero, si tenemos 100 m ^ 3 de una sustancia radiactiva, dejamos que se desintegre, luego cortamos bloques al azar en intervalos de tiempo aleatorios, ¿no tendría cada bloque la misma descomposición general? ¿Al menos en tamaños macroscópicos? ¿Es solo una de esas cosas de "lidiar con eso"?
Sí, cada bloque aún tendría el mismo % de decaimiento general por tiempo, pero en realidad se trata de cómo funcionan las probabilidades en general. Exactamente lo mismo sucedería con un proceso termodinámico fragmentado, o con un campeonato de lanzamiento de monedas fragmentado, por ejemplo. No es nada "incomprensible", solo necesita entender las probabilidades; el problema es que la gente apesta en eso :D Si lanzas una moneda hipotética, hay un 50% de posibilidades de que salga cruz. Otro, eso es 50% para las colas de nuevo. No importa cuál fue el lanzamiento anterior. Sin embargo, la posibilidad de sacar cruz dos veces seguidas es del 25 %.

Respuestas (3)

No hay patrones. Cuando una partícula decae, el momento en que lo hace es absolutamente aleatorio, elegido de la distribución

PAG d mi C a y ( t < T < t + d t ) = d t t 0 ⋅ Exp ⁡ ( − t / t 0 )
Para t = t 0 , el comienzo del tiempo cuando sabíamos que la partícula aún existía, la exponencial es igual a uno y vemos que la "probabilidad de decaimiento por unidad de tiempo" es 1 / t 0 . A medida que la probabilidad de que la partícula todavía exista disminuye exponencialmente, también lo hace la probabilidad de que se desintegre en un momento posterior.

La aleatoriedad del tiempo de decaimiento es solo otro ejemplo de la aleatoriedad que la mecánica cuántica, el marco básico de todas las leyes de la física desde 1925, predice para cada fenómeno de la naturaleza.

En la descripción más extendida de la mecánica cuántica, la partícula en descomposición se describe mediante una función de onda. Y esa función de onda evoluciona hacia una superposición de los componentes no decaídos y (varios) decaídos, y la amplitud de probabilidad (valor de la función de onda) asociada con la partícula no decaída disminuye a medida que Exp ⁡ ( − t / 2 t 0 ) . Esta amplitud de probabilidad tiene que elevarse al cuadrado y el resultado, Exp ⁡ ( − t / t 0 ) , nos da la probabilidad de que la partícula aún no se haya desintegrado.

Las teorías que intentarían encontrar alguna razón "interna" por la que la partícula decayó en el momento dado se denominan "teorías de variables ocultas" y pueden mostrarse incorrectas, ya sea incompatibles con los experimentos sobre la desintegración en este caso, o con los experimentos que respaldan la teoría. teoría especial de la relatividad. Así que los físicos tienen que aceptar la aleatoriedad intrínseca de la Naturaleza como un hecho. La aleatoriedad del tiempo de descomposición es el generador aleatorio perfecto de la Naturaleza, uno que no puede ser engañado o engañado.

No puede predecir qué partícula específica se desintegrará en un momento dado, pero puede predecir el porcentaje de todas las partículas que no se habrán desintegrado en ese momento. ¿Es este un entendimiento correcto? ¿Puede determinar qué tan estable es un elemento por su estructura y puede comparar la estabilidad entre los elementos?
Sí, el porcentaje de partículas que se habrán desintegrado en un momento dado es computable. Pero el número entero exacto puede fluctuar. Así que si esperas norte partículas se descomponen en promedio en un cierto momento, lo que obtienes en realidad será norte ± norte más o menos – el error es comparable a la raíz cuadrada de norte , algo bastante habitual en los procesos aleatorios. Y sí, también tenemos las teorías que nos permiten, al menos en principio y a menudo en la práctica, calcular los tiempos medios para todas las partículas o núcleos, etc. Se entiende por qué algunos isótopos se descomponen más rápido, otros menos rápido y otros son estable.
Sólo para estar seguro. El porcentaje de las partículas (del mismo tipo) que se han desintegrado no es más que la probabilidad de que una particular de ellas se haya desintegrado.

¿Existe algún tipo de patrón según el cual los átomos se descomponen en cada momento, o es alguna propiedad milagrosa de la mecánica cuántica que de alguna manera cada átomo sabe cuándo decaer?

Los átomos son tontos. Ellos no saben nada. La desintegración radiactiva es un proceso sin memoria, un proceso que no depende de la historia. Considere tres átomos de radón 222. Uno se creó hace un mes (8 vidas medias), otro hace cuatro días (~ 1 vida media) y el tercero, hace 12 horas (~ 1/8 de vida media). ¿Cuál será el próximo en decaer? Los átomos no lo saben. Nadie lo sabe; de hecho, nadie puede saberlo. Cada uno de los tres átomos tiene exactamente la misma pequeña posibilidad de desintegrarse en el próximo minuto.

La desintegración radiactiva es el ejemplo canónico de un proceso de Poisson. No se requiere conocimiento (o estado) en un proceso de Poisson. El estado se interpone en el camino. Un proceso de Poisson ideal no tiene estado ni memoria. Si bien hay muchísimos ejemplos de procesos cuya distribución de probabilidad está cerca de Poisson, nada se acerca más a ella que la desintegración radiactiva.

Entonces, si tomamos 1 kg de material radiactivo con una vida media de 5 años y lo observamos después de 5 años, ¿existe la posibilidad de que desaparezca todo? Cuando muchos átomos están presentes, la vida media puede mantenerse estadísticamente, pero dado que es completamente aleatorio para un solo átomo, ¿no pueden todos los átomos en 1 kg de materia simplemente decidir decaer en el próximo minuto?
@uylmz Sí, existe la posibilidad de que 1 kg de material con una vida media de cinco años se descomponga en el próximo minuto. Sin embargo, es una posibilidad tan ridículamente pequeña que uno puede decir legítimamente que eso no sucedería. Un solo átomo con una vida media de cinco años tiene menos de una posibilidad entre un millón de desintegrarse en el próximo minuto. La probabilidad de que $10^{20)$ átomos lo hagan es tan, muy pequeña que esencialmente no puede suceder.

Acabas de leer respuestas razonables de personas bien informadas, así que ahora sabes que "desintegración radiactiva...- es completamente apátrida (@Luaan)", "No hay patrones" (@Luboš Motl) y "Los átomos son tontos" ( @David Hammen). Sin embargo, hay un poco más. Los átomos pueden ser tontos, pero conocen la mecánica cuántica mucho mejor que nosotros, simples mortales. Así que puede haber aleatoriedad, pero no puede haber aleatoriedad perfecta. Alguien Khalfin demostró hace muchos años que el decaimiento estrictamente exponencial no es compatible con la teoría cuántica, debe haber algunas pequeñas desviaciones, tanto en tiempos muy cortos como muy largos. Consulte las referencias al trabajo teórico y experimental en mi respuesta en ¿ La vida útil promedio significa algo?

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