Rutherfordsches Atommodell & Experiment
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Zusammenfassung
Rutherfordsches Atommodell & Experiment
Wie ist ein Atom im Detail aufgebaut? Überlegungen zum Aufbau von Stoffen und den Teilchen, aus denen es besteht, gibt es seit der Antike. Ernest Rutherford führte ein bedeutendes Experiment durch, welches wegweisende Antworten in der Erkenntnis zum Atomaufbau brachte.
Verschiedene Atomtheorien im Laufe der Zeit
Demokrit | ~400 v. Chr. | Existenz von vielen verschiedenen kleinsten bis unsichtbaren und unteilbaren Teilchen (Atomen), die, wenn sie sich zusammenfügen, einen Stoff ergeben |
Dalton | ~1800 | Es gibt so viele verschiedene Atome, wie es Elemente gibt. Diese kleinsten einzelnen Teilchen sind kugelförmig, unteilbar und unterscheiden sich anhand ihrer Masse und ihres Volumens voneinander. Atome eines Elementes sind in Masse und Grösse gleich und alle ungeladen. |
Rutherford | ~1900 | In den Atomen gibt es ein einen positiven geladenen Massenkern (Atomkern), welcher aus einer im Vergleich zum Kern grossen Hülle besteht, in welcher sich Elektronen befinden. Die Elektronen in der Hülle und der positive Atomkern gleichen ihre gegenteilige Ladung so aus, dass ein Atom nach aussen hin neutral erscheint. |
Das Rutherford-Experiment
Durchführung durch Ernest Rutherford 1908-1913 zum Verständnis des Baus von Atomen.
Versuchsaufbau
Es wurde mit Alpha-Strahlung eine hauchdünne Goldfolie bestrahlt. Dabei wird die bestrahlte Goldfolie von einem Fotoschirm umgeben.
Alphastrahlung | kleine positiv geladene Teilchen |
Goldfolie | Möglichkeit Gold in eine sehr dünne Schicht zu verarbeiten, sodass der zu bestrahlende Stoff aus einer möglichst dünnen Atomschicht besteht (hierbei ca. 1000 Atomlagen) |
Fotoschirm | Die Folie durchdringende bzw. durch sie abgelenkte Teilchen der Alphastrahlung, können durch den Fotoschirm sichtbar gemacht werden. |
Beobachtung
Die allermeisten Alpha-Teilchen passieren die dünne Goldfolie ungehindert - dies wurde auch zuvor erwartet. Dass, jedoch einige Alpha-Teilchen durch die Goldfolie abgelenkt oder sogar zurückgeworfen wurden, war unerwartet.
Interpretation
- Atome können keine massiven Kugeln sein
- Atome müssen einen kleinen positiven geladenen Kern besitzen, welcher den Hauptteil der gesamten Atommasse ausmacht
- Trifft ein Alpha-Teilchen direkt auf den positiven Atomkern, so wird dieser zurückgeworfen
- Trifft ein Alpha-Teilchen mit einem gewissen Winkel auf den positiven Atomkern, so wird dieser abgelenkt
- Weil Atome nach Aussen hin elektrisch neutral sind, muss die positive Ladung im Kern genau die gleiche Ladungszahl besitzen wie die negative Ladung der Hülle.
- Weil die allermeisten Alpha-Teilchen jedoch die Goldfolie passieren, ohne zurückgeworfen, oder gestreut zu werden, muss die negative Hülle weitaus grösser sein als der positive Kern.
Atomkern | positiv geladener Kern in der Mitte eines Atoms macht die Hauptmasse aus. Durchmesser ungefähr. 10-14m |
Kernladungszahl | Anzahl der positiven Ladungen des Atomkerns eines Atoms entspricht der Ordnungszahl im Periodensystem der Elemente |
Atomhülle | in Relation zum Atomkern wesentlich. Durchmesser ungefähr 10-10m |
Elektrizität und Ladung
Das Prinzip von Elektrizität ist nicht mit dem Dalton'schen Atommodell zu vereinbaren, da in Daltons Modell alle Atome ungeladen sind. Nachdem der Physiker Joseph. J. Thomson 1897 jedoch durch Experimente entdeckte, dass sich Elektronen in Atomen befinden müssen, liefert Rutherford nun die dazu ergänzende Erklärung. Das Rutherford'sche-Atommodell erklärt die Vereinbarung von negativ geladenen Elektronen und das gleichzeitige Vorliegen eines positiven Atomkerns. Die beiden Ladungen gleichen sich aus, sodass ein Atom nach aussen hin elektrisch neutral vorliegt.
Energie
Durch das Kern-Hülle-Modell von Rutherford lassen sich keine Aussagen über den Energiegehalt der Elektronen anstellen. Atome sind hier lediglich in Kern und Hülle unterteilt.
Etwas Perspektive
Das Rutherford-Experiment hat die Art und Weise, wie man sich Materie vorstellt, grundlegend verändert. Wenn Du Dir die Grössenordnungen ansiehst, verändert es vielleicht auch Deine. Wäre der Atomkern so gross wie ein Fussball, dann wäre die Schale mehrere 1000 m gross. Die Elektronen in der Schale wären in diesem Vergleich für Dein freies Auge kaum sichtbar. Das bedeutet, der Grossteil der Materie, aus der alles um Dich herum besteht, ist eigentlich aus nichts. Es sind also nicht die Elektronen und Protonen als Massezentren, die dafür verantwortlich sind, dass Du Dinge angreifen kannst, sondern die Kräfte, die dazwischen wirken. Dieses Beispiel soll Dir zeigen, wie grundlegend falsch unsere von makroskopischen Erscheinungen geprägte Denkweise im Subatomarbereich sein kann. Auch die Vorstellung von kleinen geladenen Teilchen, die um einen Kern herumflitzen, ist heute aber überholt. Vielmehr hat man festgestellt, dass unser aus der klassischen Physik stammendes Verständnis von Masse und Energie sowie Impuls und Ort nicht einfach so auf Teilchen dieser Grössenordnung anwendbar ist. Bis zu dieser Erkenntnis waren aber noch einige weitere Atommodelle notwendig.
Häufig gestellte Fragen (FAQ)
Was ist die Kernladungszahl?
Die Kernladungszahl beschreibt die Anzahl der positiven Ladungen im Atomkern. Sie entspricht der Ordnungszahl des jeweiligen Elementes im Periodensystem der Elemente.
Welches Material bestrahlte Rutherford mit der Alpha-Strahlung im Ursprungsexperiment?
Gold (in der Folm einer dünnen Goldfolie)
Wie unterscheidet sich das Rutherford'sche Atommodell von den vorherigen?
Das Rutherford'sche Atommodell besteht aus einem Atomkern, der positiv geladen ist und den Hauptanteil der Atommasse trägt und einer ihn umgebenden Atomhülle in der sich negativ geladene Elektronen befinden.