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.

Chemie; Atombau und PSE; 1. Sek / Bez / Real; Rutherfordsches Atommodell & Experiment

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.

Chemie; Atombau und PSE; 1. Sek / Bez / Real; Rutherfordsches Atommodell & Experiment

1.) Strahlungsquelle 2) Strahlungsrichtung der Alpha-Teilchen 3.) Gold-Atom 4.) Versuchsaufbau

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

Chemie; Atombau und PSE; 1. Sek / Bez / Real; Rutherfordsches Atommodell & Experiment — 1.) Atomhülle 2.) Elektron 3.) Atomkern 4.) Atom

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.