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Frühe Atommodelle

Streuversuch von Rutherford

In der Animation des Rutherfordschen Streuversuches wird jedes auf den Schirm auftreffende α-Teilchen durch einen schwarzen Punkt dargestellt. Im Orginalversuch bestand der Schirm aus einer mit Zinksulfid beschichteten Platte, die beim Auftreffen eines Teilchens einen Lichtblitz aussendet (Floureszenzfilm). Der Detektorschirm ist rundherum aufgestellt, um zu sehen, wohin die α-Teilchen abgelenkt werden. Doch bevor Sie weiterlesen, beobachten Sie, was Lord Rutherford, Dr. Geiger und Marsden beim Versuch sahen!

Abb.1
Der Streuversuch von Rutherford

Makroskopisch zeigt sich, dass in direkter Linie zur Strahlenquelle ein etwas ausgefranster, aber dennoch runder Fleck zu erkennen ist. Er entspricht in etwa der Größe des Austrittslochs im Bleiblock. Ein Großteil der Partikel ändert also seine Flugbahn nicht oder nur sehr wenig. Einige Teilchen werden jedoch in Winkeln bis zu 90 ° abgelenkt, manche werden auch direkt zur Strahlenquelle reflektiert. Dabei fand Marsden heraus, dass der Anteil der reflektierten Teilchen proportional zur Dicke der Goldfolie wächst. Er kam zu dem Schluss, dass nur eines von 108 Partikeln einer Weitwinkelstreuung unterliegt. Dies war der erste experimentelle Beweis für eine Atomvorstellung im heutigen Sinne.

Um das Versuchsergebnis zu interpretieren und seine Bedeutung zu verstehen, muss man eine mikroskopische Sichtweise zurate ziehen: Wenn man annimmt, dass Atome kleine Kugeln sind, und man eine Folie herstellen könnte, die aus einer Schicht dieser Kugeln bestünde (also nur eine Atomlage dick wäre), so kann man folgendes Gedankenexperiment machen:Welches α-Teilchen reflektiert wird, unterliegt dem Zufall. Es geschieht jedoch aufgrund einer Kollision mit einem sehr dichten, positiv geladenen Teilchen. Da nur Eines von 108 Teilchen dieser Kollision unterliegt, muss der Großteil eines Atoms leerer Raum sein. Der größte Teil der Masse von Atomen ist in einem sehr kleinen, positiv geladenen Kern konzentriert, dem Nucleus. Doch wie groß ist dieser Ort? Wenn er nun ½ so groß wäre wie das Atom, so würde jedes zweite Teilchen reflektiert. Läge ein Verhältnis von 1 zu 10 vor, so wäre nur jedes 10. Teilchen betroffen. Da nur 1 von 108 Teilchen reflektiert wurde, nahmen die Forscher an, dass ein Atom 108-mal größer ist als der Nucleus. Ein Atom hat somit einen verhältnismäßig größeren Anteil an "leerem Raum" als unsere Galaxie.

So ergibt sich folgendes mikroskopisches Bild vom Rutherfordschen Streuversuch:

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Abb.2
Hinweis
Hätte ein Atom die Größe der Erde, so müsste sein Nucleus beziehungsweise Kern so groß sein wie eine Kugel mit einem Radius von 6 m. Ein Atomkern ist außerordentlich dicht. Der Radius eines Protons (Wasserstoffkerns) beträgt ungefähr 10-15 m, und seine Masse ist 1,7 ⋅ 10-27 kg. Daraus ergibt sich ein Volumen von 4 ⋅ 10-45 m3 und eine Dichte von 4 ⋅ 1017  kgm-3 .Dies ist eine unvorstellbar große Dichte.Zum Vergleich: Blei besitzt eine Dichte von 11 ⋅ 103  kgm-3 .
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