¿Por qué todos los átomos de una sustancia radiactiva no se desintegran al mismo tiempo?

El fenómeno de decaimiento es una propiedad mecánica puramente cuántica. Este problema es equivalente a una partícula en un pozo de potencial finito y un estado de potencial más bajo que está disponible fuera del pozo. Clásicamente, si la energía de la partícula en el pozo es más baja que la barrera potencial, nunca llegará al estado más bajo. Mediante la mecánica cuántica, la partícula puede hacer un túnel a través de la barrera hasta el estado inferior, pero su probabilidad de lograrlo es muy, muy baja (en situaciones reales). Además, su probabilidad de hacer un túnel es independiente del estado de otras partículas y los intentos previos de la partícula de hacer un túnel no cambian su probabilidad de lograr el siguiente túnel (sin memoria). Ahora, utilizando algunas herramientas matemáticas de la teoría de la probabilidad, puede probar que la probabilidad de que cada partícula haga un túnel tiene una densidad de probabilidad exponencial,

Hablando libremente, cada átomo individual tiene el deseo de estabilizarse, pero eso se traduce en una probabilidad de descomposición. Esto significa que, dado que hay miles de millones y miles de millones de átomos en una porción de material macroscópicamente significativa, siempre habrá retenciones improbables, y estas retenciones son responsables de la radiación después del instante inicial de la creación.

Si piensas en el tiempo como un reloj en marcha y tienes un trozo de material radiactivo donde los átomos tienen un x% de posibilidades de desintegrarse cada tic, entonces cada tic del reloj pasas por los átomos restantes y les preguntas: "¿Estás decayendo esta vez?". ?" En promedio, el x% de ellos dirá "sí".

También hay un sesgo de observación en nuestra intuición general. La mayoría de los elementos muy radiactivos ya se han desintegrado, lo que significa que cuando pensamos en "radiactividad", pensamos en elementos relativamente inactivos como el cesio o el uranio. Estos tienen vidas medias medidas en cientos de millones o miles de millones de años. Sus átomos no sienten un gran deseo de estabilizarse, en comparación con algunos de los elementos muy inestables que la gente ha creado. La vida media de esos elementos se mide en fracciones de segundo y, en ese caso, su intuición de "un pico repentino de actividad y luego desapareció" es correcta. De hecho, si tuviera que considerar un trozo de uranio en una escala de tiempo muchas veces su vida media (es decir, cientos de miles de millones de años), observaría el mismo fenómeno: un gran pico o actividad, entonces casi se ha ido. Sin embargo,

Matemáticamente, (pendiente de reescritura)

Todos los átomos tienen la misma posibilidad de desintegrarse en un momento dado.
Si tiene más de ellos en el mismo lugar, simplemente tendrá más posibilidades de que se descompongan.

Es como los dados, tienes una probabilidad de 1 en 6 de obtener un 6.
Si tienes 100 dados, tendrás 100 veces más posibilidades de obtener un 6. Por lo tanto, tendrás más 6-es.
A menos que hagas trampa ;)

Básicamente tiene que ver con el hecho de que la desintegración nuclear es un proceso de mecánica cuántica, y los procesos de mecánica cuántica no son deterministas en el sentido tradicional, es decir, dado un conjunto de condiciones, no se puede predecir exactamente lo que sucederá en un proceso en particular, solo la probabilidad de que algo ocurra. En este caso, la desintegración nuclear ocurre a través de túneles mecánicos cuánticos, un proceso en el que las partículas "aparecerán" espontáneamente al otro lado de una barrera de potencial aparentemente impenetrable (en este caso creada por la fuerza nuclear) debido a la incertidumbre en su posición. Hay una probabilidad asociada con este proceso de tunelización, y esa probabilidad determina la tasa de descomposición de los núcleos. En un "trozo" macroscópico de materia, los núcleos parecen descomponerse a un ritmo constante,

Aparte de la respuesta obvia de la aleatoriedad en la distribución de probabilidad, el evento de descomposición de cada átomo depende de su energía general, que no puede medirse individualmente con la tecnología actual. Por ejemplo, puede estar contenido en un gas donde la densidad en un área del gas es ligeramente más alta que en otras áreas y puede sufrir más "colisiones" (interacciones) y, por lo tanto, su estado fundamental difiere de otros átomos en el gas. La mecánica estadística no puede responder a esta pregunta, pero las nuevas ideas en la entropía cuántica podrían, algún día...