Rutherford-Experiment: Alpha‑Streuung, Atomkern und Vergleich mit Bohr

Rutherford-Experiment und Atommodell

Versuchsaufbau

Der englische Physiker E. Rutherford erforschte den Aufbau der Atome. Er bestrahlte eine dünne Goldfolie mit α-Strahlen, um weitere Aufschlüsse über den Bau der Atome zu erhalten. Als Strahlungsquelle diente ihm Radium. Das Radium befand sich in einem Bleiblock, aus dem die positiv geladenen α-Teilchen durch eine Öffnung gebündelt austreten konnten. Durch den luftleeren Raum wurden diese Teilchen auf eine dünne Goldfolie geschossen, und rund um diese Folie war ein Fotoschirm aufgebaut, um die Strahlen aufzufangen.

Beobachtungen und Ergebnisse

Da die radioaktiven α-Strahlen vergleichsweise viel Masse besitzen, erwartete Rutherford, dass die Strahlen von der Goldfolie zurückgeworfen werden. Die Auswertung des Fotoschirms zeigte jedoch, dass nahezu alle α-Teilchen die Folie ungehindert durchdrangen. Nur einige Teilchen wurden abgelenkt oder reflektiert. Er begann, diese Beobachtung genauer zu untersuchen, und stellte fest, dass von 8000 α-Teilchen nur ein Teilchen durch die Goldfolie zurückgeworfen wurde. Alle anderen konnten die Goldfolie fast ungehindert passieren (α > 90°).

Schlussfolgerungen: Atomkern und Atomhülle

Rutherford schloss hieraus, dass Atome im Wesentlichen leer sind. Nur an wenigen Stellen schien konzentrierte Masse und Ladung vorhanden zu sein, die in der Lage war, die α-Teilchen zurückzuwerfen. Er bezeichnete diesen kleinen Bereich als Atomkern. Durch noch genauere Untersuchungen konnte Rutherford außerdem zeigen, dass diese Atomkerne positiv geladen sind (die positiv geladenen α-Teilchen werden von den Kernen abgestoßen und nicht angezogen). Der Rest des Atoms enthält nach Rutherfords Untersuchungen die negativen Bausteine, die Elektronen. Nach Rutherford besitzen diese so gut wie keine Masse; diesen Bereich bezeichnete er als Atomhülle. Aus seinen Untersuchungen konnte er zeigen, dass das ganze Atom etwa 100 000-mal so groß wie der Atomkern ist.

Vergleich mit dem Bohr-Modell

Unterschiede:

• Beim Atommodell von Rutherford bewegten sich die Elektronen auf beliebigen Bahnen, die nur durch die Bedingung, dass die Coulomb-Kraft als Radialkraft wirkt, eingeschränkt waren.
• Beim Atommodell von Bohr waren nur ganz bestimmte Bahnen erlaubt, die durch die bohrschen Quantenbedingungen festgelegt wurden.

Abschirmung und Elektronen

Die Ladung Z · e des Kerns wird durch Z − 1 Elektronen abgeschirmt. Das Elektron auf der Bahn mit großem Radius "spürt" nur die Kernladung 1 · e (wie beim Wasserstoffatom).

Energiebetrachtung im Kernfeld

Wenn die gesamte anfängliche kinetische Energie der α-Teilchen in potenzielle Energie im Kernfeld umgewandelt ist, dann befindet sich das α-Teilchen im kernnächsten Punkt. Aufgrund des Energieerhaltungssatzes folgt:

Einsetzen der gegebenen Werte liefert:

Kernabstand und potentielle Energie

d) Der minimale Kernabstand r_min ist in diesem Fall größer als bei Teilaufgabe c), da der Kern nun auch kinetische Energie aufnimmt. Daher verringert sich der maximale Betrag der potentiellen Energie. Ein kleinerer Betrag der potentiellen Energie wird jedoch bei einem größeren Kernabstand erreicht.

Stabilitätsproblem in der klassischen Physik

Nach der klassischen Physik gibt ein Teilchen, das sich auf einer Kreisbahn bewegt, wegen der dauernden Beschleunigung elektromagnetische Strahlung und damit Energie ab, was zum Zusammenbruch des Atoms führen müsste.