Halbwertszeit: das Würfel-Modell
Worum geht es?
Zerfall ist Zufall ohne Gedächtnis: Jeder Kern hat in jedem Zeitabschnitt dieselbe Zerfallswahrscheinlichkeit, egal wie alt er ist. Das Würfel-Modell bildet genau diese Eigenschaft ab (Chance 1/6 pro Runde, unabhängig von der Vorgeschichte) und erzeugt daraus die Exponentialkurve mit ihrer Kennzahl, der . Das ist die Zeit, in der die Hälfte des Bestands zerfällt: immer wieder die Hälfte, nie „der Rest“.
Warum macht man dieses Experiment?
Die realer Nuklide kann kein Schulversuch abwarten. Das Modell macht den Mechanismus in zwanzig Minuten erlebbar und beantwortet die Frage, an der die meisten scheitern: Wie kann aus regellosem Einzelzufall ein exaktes Gesetz werden? Wer die Würfelkurve selbst gebaut hat, versteht C-14-Datierung, Aktivitätsabnahme und die Aussage „nach zehn Halbwertszeiten ist noch ein Tausendstel übrig“ aus dem Mechanismus heraus.
Die physikalische Idee
600 Würfel werden geworfen. Alle Sechser scheiden aus („zerfallen“), der Rest würfelt weiter, und nach jeder Runde wird der Bestand notiert. Die Erwartung: Jede Runde überlebt der Anteil 5/6, der Bestand folgt mit einer Halbierung alle 3,8 Runden. Die Messung prüft die Kurve, die Konstanz der und die Streuung um die Erwartung.
Benötigtes Vorwissen
Für dieses Experiment hilft dir dieses Vorwissen. Du kannst es jederzeit nachschlagen — das Experiment bleibt auch so verständlich.
- Zählstatistik: Zufall mit Regeln (Zählrohr-Experiment)
- Zerfallsarten
Wissenschaftliche Einordnung
Rutherford und Soddy fanden das Zerfallsgesetz 1902 empirisch. Dass dahinter echter Zufall steckt und kein verborgener Mechanismus, der „reife“ Kerne auswählt, wurde erst mit der Quantenphysik klar; Einstein nannte es widerstrebend „Würfeln“. Libby machte 1949 aus der C-14-Halbwertszeit (5730 Jahre) die Radiokarbon-Uhr der Archäologie, Nobelpreis 1960. Ötzis Alter (5300 Jahre) steckt in genau unserer Kurve.
Versuchsziel
Aktuelles Versuchsziel
600 Würfel zerfallen
Prüfe am Würfelbestand über 10 Runden hinweg das Zerfallsgesetz und die Konstanz der .
Gesucht
- — Halbwertszeit (in Runden)
Aus der Kurve abgelesen, und zwar mehrfach, um ihre Konstanz zu prüfen.
Gemessen
- — Bestand nach Runde k
Die Zerfallskurve in Rohform, einmal Zählen pro Runde.
Der Weg von der Messung zum Ergebnis:
Für diese Zielsetzung brauchst du:
- Die Modell-Vorhersage: Jede Runde überlebt im Mittel der Anteil 5/6.Zur Formelsammlung
- Dieselbe Kurve in Halbwertszeit-Schreibweise: die Form, in der reale Nuklide tabelliert sind.Zur Formelsammlung
Versuchsprotokoll
So ist ein physikalisches Versuchsprotokoll aufgebaut. Die Reihenfolge ist immer dieselbe — die Inhalte gehören zu deinem gewählten Versuchsziel.
1Aufgabenstellung
Wirf 600 Würfel, entferne alle Sechser, notiere den Bestand: 10 Runden lang. Vergleiche mit der (5/6)-Vorhersage, lies die an zwei Halbierungen ab und deute die Abweichungen.
2Vorbetrachtung
Was das Modell vorhersagt
Jeder Würfel überlebt eine Runde mit der Wahrscheinlichkeit . Bei großen Zahlen überlebt also nahezu der Anteil , und Runde für Runde multipliziert sich das:
Wann ist die Hälfte weg? wird gelöst von . Nach knapp vier Runden sollten also noch etwa 300 übrig sein, nach knapp acht etwa 150. Die ist eine feste Rundenzahl, unabhängig davon, wo man zu zählen beginnt.
Dazu kommt die Zähl-Statistik aus dem Zählrohr-Experiment: Um die Erwartung herum streut der echte Bestand mit etwa , bei 100 Sechsern also ±10. Abweichungen dieser Größe sind kein Fehler, sondern Teil der Vorhersage.
3Geräte / Stoffe
Vor Runde 1 den Startbestand wirklich zählen, nicht der Packung glauben. Die ausgeschiedenen Würfel kommen in eine separate Schale; sie liefern als Kontrolle die „Aktivität“, also die Zerfälle pro Runde.
600 Spielwürfel
Unsere „Kerne“: Jeder trägt dieselbe Zerfallschance von 1/6 pro Runde, gedächtnislos wie ein echter Kern.
Wurfwanne
Alle Würfel gleichzeitig werfen; eine Runde entspricht einem Zeitschritt.
Strichliste / Tabelle
Der Bestand nach jeder Runde, die Rohdaten der Zerfallskurve.
4Skizze des Versuchsaufbaus
Wanne mit Würfeln, Aussortier-Schale; daneben Achsenkreuz Bestand über Rundenzahl mit erwarteter Treppen-Exponentialkurve und den Halbierungsmarken bei 3,8 und 7,6.
Das Modellprinzip: Zufall im Einzelnen (kein Würfel ist vorhersagbar), Gesetz im Ganzen (der Bestand folgt der Exponentialkurve). Genau das ist die Doppelnatur des Zerfalls.
Die Zerfallskurve : Von jedem Startpunkt aus halbiert sich der Bestand nach einer Halbwertszeit. Die Kurve berührt die Achse nie.
Aufbau: 600 Spielwürfel (gesammelt aus Spielesammlungen; ersatzweise 300 mit verdoppelten Runden-Deutungen), große Wanne oder Tischfläche zum Werfen, Becher zum Schöpfen, Strichliste; alternativ Münzen (Wahrscheinlichkeit ½: schnellere, gröbere Kurve).
5Durchführung
In jeder Runde: alle verbliebenen Würfel werfen, die Sechser aussortieren und zählen, den Restbestand notieren. Nach 10 Runden die Kurve zeichnen, und zwar für den Bestand und für die Ausgeschiedenen je Runde.
6Beobachtung
| Runde k | Bestand gezählt | Erwartung |
|---|---|---|
| 0 | 600 | 600 |
| 1 | 505 | 500 |
| 2 | 428 | 417 |
| 3 | 351 | 347 |
| 4 | 297 | 289 |
| 5 | 248 | 241 |
| 6 | 203 | 201 |
| 7 | 172 | 167 |
| 8 | 145 | 140 |
| 9 | 118 | 116 |
| 10 | 101 | 97 |
Beispieldaten zur Veranschaulichung — keine echten Messwerte.
Kein Messwert trifft die Erwartung genau, aber keiner verfehlt sie um mehr als etwa 8. Die Kurve „zittert“ um die Vorhersage, folgt ihr aber unübersehbar.
7Auswertung
Das Gesetz besteht den Test: Die gezählte Kurve schmiegt sich an an, und die Abweichungen bleiben im -Rahmen (bei rund 100 Zerfällen pro Runde etwa ±10). Der Einzelwürfel bleibt unberechenbar, der Bestand nicht. Aus 600 gedächtnislosen Zufällen ist ein quantitatives Gesetz geworden, dieselbe Verwandlung, die schon das Statistik-Experiment am Zählrohr zeigte, hier nun als ganze Kurve.
Die Kernprüfung, die Konstanz der : Der Bestand kreuzt 300 zwischen Runde 3 und 4 (351 → 297), also bei , und 150 zwischen Runde 7 und 8 (172 → 145), also bei . Von 600 auf 300 dauerte es genauso lang wie von 300 auf 150. Die Halbierungszeit hängt nicht vom Bestand ab, und genau das unterscheidet die Exponentialkurve von jedem gleichmäßigen Schwund. Ein linear schrumpfender Bestand wäre nach einer festen Zeit weg; der exponentielle halbiert sich nur, immer wieder. Nach 10 Halbwertszeiten (38 Runden) wäre rechnerisch noch gut ein halber Würfel da. Praktisch fällt irgendwann der letzte, aber ein „Ende nach Plan“ gibt es nicht.
Vom Modell zum Nuklid, und zur C-14-Uhr: Ersetze „Runde“ durch ein festes Zeitintervall und „1/6“ durch die Zerfallskonstante des Nuklids, fertig ist das reale Zerfallsgesetz . C-14 hat Jahre. Ein Fund mit 25 % des ursprünglichen C-14-Gehalts liegt bei zwei Halbwertszeiten, also 11 460 Jahren. Die Archäologie liest das Alter an unserer Kurve ab, nur rückwärts. Die Würfel zeigen auch die Grenze der Methode: Bei sehr alten Funden mit vielen Halbwertszeiten ist der Restbestand so klein, dass die √N-Streuung das Signal frisst. Die C-14-Datierung endet praktisch bei rund 50 000 Jahren, nicht weil die Kurve endet, sondern weil die Statistik es tut.
8Fazit
Der Würfelbestand folgt mit einer konstanten von 3,8 Runden (Halbierungen bei k ≈ 3,8 und 7,6). Aus gedächtnislosem Einzelzufall entsteht das exponentielle Zerfallsgesetz, das Fundament von Aktivitätsrechnung und C-14-Datierung, im Modell ehrlich erwürfelt.
9Fehlerbetrachtung
Beim Modellexperiment sind die wichtigsten „Fehler“ Deutungsfehler:
Streuung als Widerlegung geleseneher zufällig
- Ursache
Messwerte treffen die Erwartung nie exakt.
- Auswirkung
Zweifel am Gesetz statt Verständnis der √N-Statistik.
- Verbesserung
Erwartungszeile und Streubreite von Anfang an mit in die Tabelle schreiben.
Würfel übersehen oder doppelt aussortierteher systematisch
- Ursache
600 kleine Objekte und viele Hände.
- Auswirkung
Buchhaltungsfehler wandern als Sprünge in die Kurve.
- Verbesserung
Je Runde eine Kontrollsumme bilden: Bestand plus Ausgeschiedene muss den Vorrunden-Bestand ergeben.
Modellgrenze verschwiegeneher systematisch
- Ursache
„Kerne würfeln doch nicht“, der Modellcharakter bleibt unreflektiert.
- Auswirkung
Falsche Übertragungen, etwa Runden als echte Sekunden.
- Verbesserung
Sauber trennen: Echt ist die Gedächtnislosigkeit, gewählt sind Wahrscheinlichkeit und Zeittakt.
Das Wichtigste
- Gedächtnisloser Zufall
Jeder Würfel hat in jeder Runde die Chance 1/6, auch der, der schon zwanzig Runden überlebt hat. Genauso altert kein : Die Zerfallswahrscheinlichkeit kennt keine Vorgeschichte.
- Vom Zufall zum Gesetz
Bei 600 Objekten mittelt sich der Einzelzufall heraus. Der Bestand folgt , glatt bis auf das √N-Zittern. Das Zerfallsgesetz ist Statistik großer Zahlen.
- Die Halbwertszeit ist konstant
Von 600 auf 300 dauert es 3,8 Runden, von 300 auf 150 wieder 3,8. Die Halbierungszeit hängt nicht vom Bestand ab, das Erkennungszeichen der Exponentialkurve.
- Nie null
Nach 10 ist noch ein Tausendstel da (), nach 20 ein Millionstel. „Alles zerfallen“ gibt es nicht, nur „unterhalb der Nachweisgrenze“.