Warum zerfällt ein Atom?

Wissenschaft Physik
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Es ist sicher eine ungewöhnliche Frage:

Nehmen wir an, ich erzeuge (nahezu) gleichzeitig zwei Uranatome (z.B. die „235-er“) und lege sie nebeneinander (weit genug, so dass sie sich nicht „riechen“ können) und beobachte sie. Sie sind also beide „neu“ und bleiben ihr Leben lang gleich alt. Irgendwann wird eines zerfallen, das andere mit sehr großer Wahrscheinlichkeit jedoch zu einem anderen Zeitpunkt.

Alles was geschieht, hat doch Ursachen… Nichts geschieht, wenn es keinen erforschbaren Grund dafür gibt…

Sind die Umstände, die den Zerfallszeitpunkt bestimmen, schon zu Beginn des „Lebens“ der Atome in ihnen gesetzt und ist ihre Lebensspanne somit im Prinzip exakt bestimmt, nur uns (möglicherweise prinzipiell?) nicht zugänglich?

Offenbar ist ja jede beliebige Lebensspanne erlaubt. Oder gibt es da Grenzen? Könnte man sagen „garantiert (100%) spätestens dann!“ (Z.B. nach 10hoch((10hoch10)Fakultät) Weltaltern…)?

Was ist das, was im Einzelfall die Explosion des Kerns auslöst?
Chaotische Schwingungen der Quarks, die einen ganz präzise bestimmbaren Grenzwert überschreiten? Der Begriff „Zufall“ will mir einfach nicht plausibel erscheinen - auf dieser Ebene. Mit etwas Wehmut an Science Fiction denkend: Raum-Zeit-Fluktuationen, von denen die Schwingungen der Quarks vielleicht doch ganz subtil abhängen? Das „Rauschen des Kontinuums“ an sich? Oder auch respektlos gesprochen: „Ruckelt“ die Zeit irgendwie im Allerfeinsten der Planckschen Einheiten und dabei zerlegt sich’s dann irgendwann halt mal?

Wäre all das auch so, wenn es nur dieses eine Atom gäbe und kein Universum darum herum existierte?

So, gute Nacht… „Wer weiß was…?“

(Nein, keine Hausaufgabe im Sinne von „mal seh’n, ob sie’s schaffen“, sondern wirklich eine Frage, die mich interessiert: Es muss doch immer Kausalität geben, oder?)

Eugen Pawlowski

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Hallo,

Nehmen wir an, ich erzeuge (nahezu) gleichzeitig zwei
Uranatome (z.B. die „235-er“) und lege sie nebeneinander (weit
genug, so dass sie sich nicht „riechen“ können) und beobachte
sie. Sie sind also beide „neu“ und bleiben ihr Leben lang
gleich alt. Irgendwann wird eines zerfallen, das andere mit
sehr großer Wahrscheinlichkeit jedoch zu einem anderen
Zeitpunkt.

Richtig.

Alles was geschieht, hat doch Ursachen… Nichts geschieht,
wenn es keinen erforschbaren Grund dafür gibt…

Es gibt echten Zufall in der Natur. Die beiden zerfallenden Atome sind das beste Beispiel.

Sind die Umstände, die den Zerfallszeitpunkt bestimmen, schon
zu Beginn des „Lebens“ der Atome in ihnen gesetzt und ist ihre
Lebensspanne somit im Prinzip exakt bestimmt, nur uns
(möglicherweise prinzipiell?) nicht zugänglich?

Nein, es ist ein wirklich statistischer, zufälliger Prozess. Ein anderes Beispiel ist die spontane Emission von Licht, deren Richtung rein zufällig ist.

Offenbar ist ja jede beliebige Lebensspanne erlaubt. Oder gibt
es da Grenzen? Könnte man sagen „garantiert (100%) spätestens
dann!“ (Z.B. nach 10hoch((10hoch10)Fakultät) Weltaltern…)?

Man kann nur Wahrscheinlichkeiten angeben. Man weiß z.B. nicht mal sicher, ob freie Protonen stabil sind, man kann nur eine untere Grenze der Lebensdauern (10^18 Jahre iirc) angeben.

Die Philosophie überlasse ich jetzt anderen…

Grüße,
Moritz

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Hallo!

Alles was geschieht, hat doch Ursachen… Nichts geschieht,
wenn es keinen erforschbaren Grund dafür gibt…

So wie es scheint, gibt es für den radioaktiven Zerfall keinen „Anstoß“.

Nehmen wir den Alpha-Zerfall: Quantenmechanisch muss man ein Alphateilchen als eine Wellenfunktion darstellen. Diese Wellenfunktion hängt nach der Schrödingergleichung vom Potenzial ab. Das Kernpotenzial ist anziehend für sehr kleine Abstände (Größenordnung 10-15 m) und abstoßend für größere Abstände. Bildlich kann man es mit einem Vulkan vergleichen: Eine Kugel auf seiner Oberfläche rollt entweder am Vulkan die Flanke hinab oder direkt in den Krater hinein, je nachdem wie weit sie vom Zentrum entfernt ist.

Die Schrödinger-Gleichung ist das Werkzeug, mit dem man den Betrag der Wellenfunktion an jeder beliebigen Stelle ausrechnen kann. Ist die Energie eines Teilchens insgesamt größer als das Pontenzial an dieser Stelle, so ist die Wellnfunktion periodisch. Ist die Energie des Teilchens kleiner als das Potenzial, so verebbt die Wellenfunktion exponentiell. Das Betragsquadrat der Wellenfunktion ist ein Maß für die Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Teilchens.

Das hier besprochene Alpha-Teilchen hat eine Energie, die geringer ist als die Gipfelhöhe des Vulkans. Es befindet sich also mit großer Wahrscheinlichkeit im „Schlund“. Allerdings endet die Wellenfunktion nicht abrupt an den Felswänden des Kraters, sondern - wie gesagt - sie klingt „nur“ exponentiell aus. Bei bestimmten Konstellationen hat die Wellenfunktion auch jenseits der Felsmassen einen Betrag, der verschieden von Null ist. Das bedeutet: Es gibt eine Aufenthaltswahrscheinlichkeit für das Alpha-Teilchen außerhalb des Atomkerns. (Man nennt das „Tunneleffekt“)

Die Aufenthaltswahrscheinlichkeit draußen ist um so größer, je geringer die Tunnelstrecke ist. (Deswegen verlassen immer Alphateilchen den Kern, jedoch nie (selten?) einzelne Protonen: Bei der Bildung des 4He-Kerns gewinnt das Teilchen derart viel Energie (Massendeffekt), dass es im Schlund des Potenzials sehr weit nach oben gelangt und nur noch einen geringen Weg nach draußen durchtunneln muss.

Kurz zusammengefasst: Weil das Alphateilchen quantenmechanisch beschrieben werden muss, nämlich als Teilchenwelle, hat es eine Aufenthaltswahrscheinlichkeit außerhalb des Atomkerns, die nicht verschwindet.

Sind die Umstände, die den Zerfallszeitpunkt bestimmen, schon
zu Beginn des „Lebens“ der Atome in ihnen gesetzt und ist ihre
Lebensspanne somit im Prinzip exakt bestimmt, nur uns
(möglicherweise prinzipiell?) nicht zugänglich?

Atome und Kerne „altern“ nicht. Sie haben kein Gedächtnis. Deswegen beträgt die Wahrscheinlichkeit für ein Alphazerfall für jedes 238U-Atom in den nächsten 4,5 * 109 Jahren genau 50%, egal wie alt das Uranatom schon ist.

Offenbar ist ja jede beliebige Lebensspanne erlaubt. Oder gibt
es da Grenzen? Könnte man sagen „garantiert (100%) spätestens
dann!“ (Z.B. nach 10hoch((10hoch10)Fakultät) Weltaltern…)?

Nein.

Wäre all das auch so, wenn es nur dieses eine Atom gäbe und
kein Universum darum herum existierte?

Ja.

Falls etwas unverständlich war: Einfach nachfragen. Ich weiß nicht, ob das Bild mit dem Vulkan so einsichtig ist.

Michael

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Sind die Umstände, die den Zerfallszeitpunkt bestimmen, schon
zu Beginn des „Lebens“ der Atome in ihnen gesetzt und ist ihre
Lebensspanne somit im Prinzip exakt bestimmt, nur uns
(möglicherweise prinzipiell?) nicht zugänglich?

manche meinen, daß genau dies der fall ist. http://de.wikipedia.org/wiki/Determinismus

Der Begriff „Zufall“ will mir einfach nicht plausibel erscheinen

was bezeichnet denn der begriff „zufall“? ein zusammenspiel von ereignissen, die wir nicht zur gänze durchschauen können. ein würfel zeigt nicht wirklich zufällig die eine oder andere seite, sondern aufgrund physikalischer abläufe, die einfach zu komplex sind, um sie ohne zusätzlichen rechenaufwand zu durchschauen. es gibt immer eine tiefere ebene, auf der prozesse ablaufen, die wir nicht kennen oder durchschauen können.

Wäre all das auch so, wenn es nur dieses eine Atom gäbe und
kein Universum darum herum existierte?

gäbe es butterbrote ohne kühe, weizenfelder, bäckereien und küchen? eine ziemlich sinnlose annahme, finde ich…

Es muss doch immer Kausalität geben, oder?

man kann es so sehen oder auch anders, und wir werden es nie erfahren… die frage ist unentscheidbar.

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Sind die Umstände, die den Zerfallszeitpunkt bestimmen, schon
zu Beginn des „Lebens“ der Atome in ihnen gesetzt und ist ihre
Lebensspanne somit im Prinzip exakt bestimmt, nur uns
(möglicherweise prinzipiell?) nicht zugänglich?

manche meinen, daß genau dies der fall ist.
http://de.wikipedia.org/wiki/Determinismus

Der Begriff „Zufall“ will mir einfach nicht plausibel erscheinen

was bezeichnet denn der begriff „zufall“? ein zusammenspiel
von ereignissen, die wir nicht zur gänze durchschauen können.
ein würfel zeigt nicht wirklich zufällig die eine oder andere
seite, sondern aufgrund physikalischer abläufe, die einfach zu
komplex sind, um sie ohne zusätzlichen rechenaufwand zu
durchschauen. es gibt immer eine tiefere ebene, auf der
prozesse ablaufen, die wir nicht kennen oder durchschauen
können.

Wäre all das auch so, wenn es nur dieses eine Atom gäbe und
kein Universum darum herum existierte?

gäbe es butterbrote ohne kühe, weizenfelder, bäckereien und
küchen? eine ziemlich sinnlose annahme, finde ich…

Ja, ok, sehe ich ein… Die Frage war auch nicht im Sinne von „Macht ein stürzender Baum auch ein Geräusch, wenn niemand da ist, der es hört?“, sondern mehr so gemeint, ob es möglicherweise (u. U. äußerst langreichweitige) Wirkungen anderer Dinge gibt, die die Prozesse in einem Kern beeinflussen könnten. Da wir die „totale Einsamkeit“ eines Atoms nicht herstellen können, könnten wir das ja so nicht überprüfen, uns vielleicht aber herandenken…

Es muss doch immer Kausalität geben, oder?

man kann es so sehen oder auch anders, und wir werden es nie
erfahren… die frage ist unentscheidbar.

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Danke für diese - vor allem sehr schnell gegebenen - Antworten! Ich staune, das es so viele Menschen gibt, die zu den unglaublichsten Zeiten bereit sind, hier zu antworten! Manches ist mir klarer geworden!

Respekt vor Eurem Wissen, toll!

[Bei dieser Antwort wurde das Vollzitat nachträglich automatisiert entfernt]

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Hallo Eugen,

Alles was geschieht, hat doch Ursachen… Nichts geschieht,
wenn es keinen erforschbaren Grund dafür gibt…

wenn Dich das wirklich interessiert, empfehle ich Dir die Lektüre ‚Der Teil und das Ganze‘ von Werner Heisenberg. Dort wird u. a. darüber diskutiert bzw. konstatiert, dass die Kausalität im atomaren Bereich aufhört.

Dieter