Радиоактивный распад в физике

Вы когда-нибудь задумывались, откуда исходит излучение и что вызывает его создание? Большинство атомов в некоторой степени радиоактивны, что означает, что они излучают излучение. Мы называем это радиоактивным распадом.

Радиоактивный распад - это случайный процесс, то есть невозможно предсказать, когда атом испустит излучение. Однако существуют известные вероятности радиоактивного распада конкретных атомов, которые могут определять скорость распада для группы таких атомов. В этой статье рассматривается случайный характер радиоактивного распада.

Определение случайного характера радиоактивного распада

Радиоактивный распад - это процесс, при котором атомы испускают излучение для достижения другой конфигурации. Это излучение может быть в форме альфа-частиц, бета-частиц, гамма-лучей или нейтронных частиц. Во время излучения атом изменяется в соответствии с правилами ядерных уравнений. То, что останется после выброса, будет иметь разный уровень радиоактивности.

Атомы испускают излучение, если они по своей природе нестабильны: для любого конкретного изотопа при определенном уровне энергии каждую секунду существует определенная вероятностьтого, что он испустит альфа-частицу. То же самое относится и к другим формам излучения. Это все разные вероятности, и некоторые из этих вероятностей могут быть равны нулю, что означает, что конкретный атом никогда не подвергнется определенному типу радиоактивного распада. Эти вероятности полностью определены, но фактический процесс излучения является случайным: мы знаем только вероятность.

Это все равно, что бросать (честные, кубические) кости каждую секунду. Вы знаете, что вероятность выпадения 6 - это каждый бросок, но фактический процесс создания результата бросков является случайным. Вы не знаете, будете ли вы бросать 6 из 6 или 20 бросков. Однако при большом размере выборки, например, в 6 миллиардов бросков, вы знаете, что вы выбросите примерно 1 миллиард шестерок.

Точно так же мы никогда не можем знать, когда нестабильный атом испустит, скажем, бета-излучение, но с течением времени у нас появляется все более четкое представление о том, сколько бета-излучения будет исходить от материала, то есть сколько атомов испустило бета-излучение.

Под случайным характером радиоактивного распада мы подразумеваем, что для каждого атома известны вероятности того, что они будут излучать излучение (и, следовательно, радиоактивно распадаться) в следующую секунду. Тем не менее, тот факт, что все, что у нас есть, это вероятность, делает этот процесс случайным. Мы никогда не можем заранее определить, распадется ли атом в следующую секунду или нет.

Периоды полураспада и случайный характер радиоактивного распада

Если у нас есть много идентичных атомов в образце (например, в куске материала), которые все имеют определенную вероятность распада в секунду, то вы можете представить, что в какой-то момент в образце остается только половина от первоначального количества атомов. Чем больше вероятность распада в секунду, тем меньше времени требуется, пока не останется только половина.

Период полураспада атома (определенного изотопа при определенном уровне энергии) - это ожидаемое время, необходимое для распада очень большого числа этих атомов, пока не останется только половина от первоначального числа этих атомов.

Итак, короткий период полураспада указывает на то, что атом очень радиоактивен: вероятность его распада в следующую секунду высока.

Предположим, у нас есть атом, вероятность распада которого в следующую секунду равна. Теперь мы берем многие из этих атомов и ждем одну секунду. После этой секунды примерно половина атомов распалась (это то, чтоозначает вероятность). Мы пришли к выводу, что период полураспада атомов этого типа составляет одну секунду.

Случайный характер радиоактивного распада теперь говорит нам о том, что после одного периода полураспада не гарантируется, что останется ровно половина исходных атомов, но это всего лишь наиболее вероятный и средний результат. Любое другое количество оставшихся атомов имеет меньшую вероятность возникновения. Однако вероятность того, что от изначально очень большого числа атомов останется ровно половина атомов, все еще минимальна.

Примеры периодов полураспада

Поскольку у каждого радиоактивного атома есть период полураспада, который мы можем измерить, мы можем привести несколько примеров и показать, что периоды полураспада разных изотопов могут отличаться в совершенно разных временных масштабах. Период полураспада атома углерода-14 составляет около 5700 лет, в то время как период полураспада атома урана-235 составляет около 700 миллионов лет! Это означает, что углерод-14 более радиоактивен, чем уран-235, поскольку изотопы углерода-14 имеют более высокую вероятность распада, чем уран-235 в следующую секунду. С другой стороны, период полураспада коперника-277 составляет чуть менее миллисекунды, что делает среднюю продолжительность жизни атома коперника-277 очень короткой: этот изотоп очень радиоактивен.

В целом, более массивные элементы, как правило, более радиоактивны, потому что их более крупные ядра с большей вероятностью будут иметь нестабильный избыток внутренней энергии. Вот почему периодическая таблица элементов известна только до определенного размера ядра: атомы и изотопы с большими размерами ядер слишком нестабильны, чтобы мы могли их легко "увидеть". Вероятность того, что такой тяжелый атом распадется в следующую микросекунду, слишком высока, чтобы мы могли хорошо изучить эти атомы.

Причины случайного характера радиоактивного распада

Это может разочаровать, но нам придется признать, что каждый атом просто имеет внутреннюю вероятность распада каждую секунду. Для стабильных изотопов, и, следовательно, не радиоактивных, эта вероятность равна нулю. Для радиоактивных изотопов эта вероятность может быть измерена и известна для многих изотопов. Факторы, которые вызывают эту точную вероятность, и, следовательно, реальные причины случайного характера радиоактивного распада, выходят далеко за рамки этой статьи.

Вы можете думать о радиоактивном атоме как о неустойчивом вертикальном карандаше. Он находится в высокоэнергетическом состоянии и хочет перейти в состояние с более низкой энергией. Для падения карандаша потребуется всего лишь небольшой порыв ветра. Тем не менее, мы ничего не знаем о точных условиях ветра вокруг карандаша, только об общей погоде (которую можно сравнить с вероятностью радиоактивного распада). На наш взгляд, карандаш имеет тенденцию падать, но мы не знаем, когда произойдет решающий толчок. Мы можем только сказать, что в шторм карандаш, скорее всего, упадет раньше, чем в тихую погоду, точно так же, как атомы с меньшим периодом полураспада, скорее всего, распадутся раньше, чем атомы с большим периодом полураспада.

Эффекты случайного характера радиоактивного распада

Случайный характер радиоактивного распада заключается в том, что некоторые атомы в образце выживают, в то время как другие атомы того же типа распадаются. Это не различие, основанное на какой-либо разнице в свойствах атомов, а исключительно на вероятностях. Это также означает, что в любой момент времени распадется только (случайная) часть идентичных атомов.

Случайный характер радиоактивного распада также позволяет нам вычислять вероятности выживания атома через определенное время. Например, после периода полураспада естьвероятность, что атом в образце еще не распался. После 8 периодов полураспада естьвероятность, что атом все еще не поврежден. Или, что эквивалентно, после 8 периодов полураспада наиболее вероятным результатом является то, чтоисходные атомы остаются. Случайный характер распада теперь говорит нам о том, что нет способа точно узнать, какие атомы остаются.

Наконец, знаменитый экспоненциальный график, который иллюстрирует плавный экспоненциальный распад атомов, показывает, что исходное количество изотопов уменьшается примерно вдвое после каждого периода полураспада, а затем рисует плавную линию через точки данных. Этот экспоненциальный распад верен в больших масштабах (подробнее об этом см. Статью о периодах полураспада), но в меньших масштабах этот график будет более "скачкообразным": в некоторых интервалах может не быть распада, а в других интервалах может быть много атомов, которые распадаются,чисто случайно. График будет больше похож на приведенный ниже.

Примеры и эксперименты по случайному характеру радиоактивного распада

Хороший эксперимент по измерению излучения, которое испускают атомы, можно провести с помощью счетчика Гейгера-Мюллера, который представляет собой устройство, измеряющее альфа-, бета- и гамма-излучение. Если он измеряет продукт радиоактивного распада (частицу или волну), он запишет его как событие.

Если бы вы держали какое-либо радиоактивное вещество рядом со счетчиком Гейгера-Мюллера, он регистрировал бы события через случайные промежутки времени: в интервалах между событиями измерения не было бы закономерности. Эта бесшабашная запись случайных событий является экспериментальным доказательством того, что радиоактивный распад носит случайный характер. Средняя частота событий будет уменьшаться с течением времени, потому что все меньше и меньше атомов выживают, чтобы произвести излучение и вызвать другое событие.

Рассмотрим два радиоактивных образца, оба массой 1 кг. Первый образец содержит радиоактивные изотопы с коротким периодом полураспада, а другой состоит из радиоактивных изотопов с более длительным периодом полураспада. В образце с коротким периодом полураспада будет происходить много событий в быстрой последовательности, но в образце с длинным периодом полураспада будут более длительные паузы между событиями, поскольку для возникновения событий потребуется больше времени. Однако события в обоих образцах будут случайным образом распределены и, следовательно, совершенно непредсказуемы.

Случайный характер радиоактивного распада - основные выводы

Радиоактивный распад - это процесс излучения атомов.
Излучение можно определить как альфа-частицы, бета-частицы, гамма-лучи или нейтроны, образующиеся в атомах.
После испускания излучения атом превращается либо в другой тип атома, либо в другой изотоп, либо в существо с другим энергетическим уровнем.
Для любого конкретного атома (определенного изотопа на определенном уровне энергии) каждую секунду существует вероятностьтого, что он распадется.
Радиоактивный распад - это случайный процесс, мы никогда не можем заранее определить, распадется ли атом в следующую секунду или нет; мы знаем только вероятность распада.
После одного периода полураспада не гарантируется, что останется ровно половина исходных атомов, но это всего лишь наиболее вероятный и средний результат.
После 8 периодов полураспада атом все еще может быть неповрежденным, и вероятность этого сценария равна.
Случайные интервалы между событиями, которые регистрирует счетчик Гейгера-Мюллера, являются экспериментальным доказательством того, что радиоактивный распад является случайным.