Natur der Materie: Elektrostatik und Atommodelle

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In der Natur der Materie gilt: Körper mit Ladungen gleichen Vorzeichens stoßen einander ab. Körper mit Ladungen verschiedener Vorzeichen ziehen einander an.

Das Elektroskop

Ein Elektroskop ist ein Gerät, das verwendet wird, um geladene Körper zu erkennen. Um herauszufinden, ob Körper geladen sind, gibt es zwei Wege:

• Durch Kontakt: Wenn ein geladener Stab die Metallkugel berührt, erreicht die Ladung die Blättchen. Da diese dann das gleiche Vorzeichen haben, stoßen sie einander ab.
• Durch Induktion: Wenn ein geladener Stab dem Elektroskop genähert wird, ohne es zu berühren, ordnen sich die Ladungen neu an. Die positiven Ladungen bewegen sich nach oben, während sie auf den negativen Platten bleiben, sodass diese sich abstoßen.

Das elektrische Pendel

Das elektrische Pendel wurde benutzt, um die Coulombsche Anziehung und Abstoßung zwischen geladenen Körpern zu studieren. Das Pendel besteht aus einer Kugel, die an einem seidenen Faden hängt. Wenn wir die Pendelkugel mit einem negativ geladenen Stab berühren, nimmt sie eine negative Ladung an.

Teilchen, die Atome bilden

Zu Beginn des 19. Jahrhunderts stellte John Dalton fest, dass Materie aus Atomen besteht. Verschiedene Experimente zeigten jedoch, dass Materie elektrische Ladung gewinnen oder verlieren kann. Daraus lässt sich folgern, dass diese elektrischen Ladungen Teil der Atome sind. Es gibt drei Arten von Teilchen im Atom: Protonen, Neutronen und Elektronen.

Daltons Theorie und die Entdeckung der Teilchen

Die Vorstellung von unteilbaren Atomen wurde durch Experimente widerlegt, die zeigten, dass Atome aus elektrisch geladenen Teilchen bestehen. Eines dieser Experimente wurde von J.J. Thomson mit Kathodenstrahlröhren durchgeführt.

Kathodenstrahlröhren und Elektronen

Kathodenstrahlröhren besitzen einen positiven und einen negativen Pol. Im Inneren der Röhre befindet sich Wasserstoffgas. Bei einer elektrischen Entladung zwischen den Platten erschien ein leuchtender Strahl, ähnlich einem Blitz, der aus negativ geladenen Teilchen bestand. Thomson nannte diese Teilchen Elektronen. Später entdeckte Ernest Rutherford das Proton als ein positiv geladenes Teilchen des Atoms. Schließlich entdeckte James Chadwick im Jahre 1931 das dritte Teilchen, das Neutron genannt wird.

Das Plumpudding-Modell von Thomson

Nach dem Nachweis, dass das Atom nicht unteilbar ist (entgegen Daltons Theorie), schlug Thomson ein atomares Modell vor. Das Thomsonsche Atommodell beschreibt das Atom als eine Fülle positiver Ladung, in die Elektronen eingebettet sind. Die positive Ladung macht das Atom neutral.

Das Rutherfordsche Atommodell

Rutherfords Experiment zielte darauf ab, die Gültigkeit von Thomsons Modell zu kontrollieren. Er bombardierte eine dünne Goldfolie mit einem Strahl von Alpha-Teilchen, die positiv geladen sind. Dabei beobachtete er, dass die meisten Alpha-Teilchen die Folie ungehindert passierten, während einige abgelenkt wurden und ein paar wenige zurückprallten.

Struktur des Atoms nach Rutherford

Um die großen Abweichungen der Alpha-Teilchen zu erklären, schlug Rutherford ein neues Atommodell vor. Nach Rutherford besteht das Atom aus:

• Dem Kern (Nucleus): Er befindet sich im zentralen Teil und enthält die gesamte positive Ladung sowie fast die ganze Masse des Atoms.
• Der Hülle (Rinde): Sie umgibt den Kern. Hier befinden sich die negativ geladenen Elektronen, die in großen Entfernungen um den Kern kreisen.

Rutherford schlug zudem vor, dass die Atomkerne weitere Teilchen enthalten müssen, deren Masse nahezu gleich der des Protons ist, die aber keine elektrische Ladung besitzen. Er nannte sie Neutronen. Diese wurden schließlich 1932 von Chadwick entdeckt.