Как экспериментально проверяется случайность одноатомного радиоактивного распада?

Позвольте мне описать эксперимент, который я провел в аспирантуре (уже не такой уж недавний) по обнаружению распада мюонов космических лучей. Вот подробное описание эксперимента, очень похожего на тот, который я провел. Хотя в эксперименте участвуют мюоны, ответ, который я дам, не зависит от этой детали, за исключением некоторых деталей экспериментальной установки. Принципы квантовой механики не зависят от конкретной частицы, которую вы используете. Если вы не купитесь на это, вы могли бы представить варианты описанной ниже процедуры с различными видами распадающихся частиц, и вы всегда найдете одни и те же ответы на свои вопросы.

Процедура такова, что у нас была коробка для улавливания мюонов. Коробка была сделана из кристалла сцинтиллятора (материала, который испускает вспышки света при возбуждении) вместе с трубками фотоумножителя, прикрепленными к верхней и нижней части коробки. Фотоумножители измеряют вспышки света (а), когда мюон пересекает кристалл (т. е. когда он входит или выходит из коробки) или (б), когда продукт распада мюона (электрон) сталкивается с кристаллом. Бывают и случайные вспышки из-за процессов, не связанных с мюонами.

Есть некоторая логика, которую вам нужно реализовать, чтобы определить, какие сигналы, которые вы обнаруживаете, исходят от мюона, который распался, в отличие от мюонов, которые проходят через детектор или захватываются ядром, или вызваны событиями, не связанными с космическими явлениями. лучи. Это не так сложно сделать, и подробности в pdf, на который я ссылался выше.

Как только вы определите, какие события являются мюонами, которые вошли в ящик, а затем распались, наш набор данных состоит из двух вещей:

• Время, когда мюон вошел в ящик
• Время распада мюона

Вычитая эти два, мы получаем время распада каждого отдельного мюона.

Хотя целью лаборатории было определить время жизни (грубо говоря, вычислив среднее время распада мюона), мы могли бы использовать данные, чтобы ответить на ваши вопросы, например:

распад отдельного атома нельзя предсказать, он действительно случаен

Если вы посмотрите на времена распада мюонов последовательно, то не увидите никакой различимой закономерности. Вы также можете проверить, что нет корреляции между временем затухания (например, нет корреляции между значением 1-го наблюдаемого времени затухания и 4-го). Вы даже можете проверить, соответствует ли полученная последовательность статистике Пуассона, и что если вы повторите эксперимент$N$раз каждый с$M$мюонные события, распределение последовательностей, которое вы получите, будет соответствовать$N$розыгрыши последовательностей длиной$M$из распределения Пуассона.

Вы можете попытаться изобрести алгоритмы для предсказания следующего времени распада мюона, учитывая все времена распада мюона, которые вы видели до этого момента. Насколько кто-либо смог сказать после примерно ста лет квантовой теории (в зависимости от того, как считать) и как твердо предсказывает квантовая механика, вы не можете использовать какую-либо информацию для предсказания жизни любого отдельного мюона.

на распад отдельного атома не влияет его окружение

Вы можете повторить эксперимент, изменив детали установки, такие как комната, в которой вы находитесь, кристалл сцинтиллятора, материал, из которого сделан ящик, изменив температуру ящика и т. д. Вы обнаружите, что значение, которое вы получаете на протяжении всей жизни, не не изменить.

вероятность распада постоянна во времени и не зависит от предыдущих взаимодействий атома

Вы можете повторить этот эксперимент несколько раз в разное время суток, в разное время года, в разные годы и т. д., и вы найдете одно и то же среднее время распада мюона. На самом деле вы можете рассматривать тот факт, что есть «правильный» ответ, который вы должны получить в этой лаборатории, который я получил, и который десятилетиями «дети» до меня также получили, как доказательство того, что продолжительность жизни не меняется с течением времени. .

вероятность распада одинакова для всех атомов одного и того же элемента

Поскольку мюоны в эксперименте всегда разные (поскольку они возникают из разных космических лучей), многократное повторение эксперимента также проверит результаты с разными мюонами.

За последние сто лет многие образцы радиоактивных изотопов подвергались мониторингу в течение определенного периода времени. Все они показывают экспоненциальную скорость распада. Это указывает на то, что фиксированная доля атомов в образце распадется в течение заданного промежутка времени, что может быть результатом только фиксированной вероятности распада любого атома в течение этого времени. Кажется маловероятным, чтобы на беспорядки внутри ядра повлияли его окружающая среда или история.