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Rutherford'sches Atommodell

Rutherford'sches Atommodell

Wie jedes Modell in der Physik hat auch ein Atommodell nur einen vorläufigen, unvollkommenen Charakter. Es kann prinzipiell nur einen bestimmten Ausschnitt der Wirklichkeit darstellen und seine Grenzen sind manchmal von Anfang an klar oder stellen sich erst im Laufe der Zeit heraus. Die ersten Modelle für den inneren Aufbau der Atome wurden von Thomson und Lenard entwickelt, bewährten sich jedoch in der Folgezeit nicht. Im Folgenden werden, in der historischen Reihenfolge ihrer Entstehung, Atommodelle beschrieben, die - trotz einiger Unzulänglichkeiten und Einschränkungen - heute noch Verwendung finden. So kann es je nach Anwendungsgebiet genügen, Rechnungen mit einem vergleichsweise einfachen, mathematisch relativ leicht handhabbaren Modell durchzuführen als mit einem exakteren, aber dafür komplexeren Modell.

Experimentelle Vorgeschichte

Nach einem Vorschlag von Rutherford untersuchten Geiger und Marsden die Streuung von Alpha-Teilchen an einer dünnen Goldfolie (die untere Abbildung zeigt einen späteren Aufbau). Ein radioaktives Präparat R befindet sich in einem evakuierten Raum und liefert Alpha-Teilchen, die an der Folie F gestreut werden. Unter einem Mikroskop M werden die Szintillationen auf dem Schirm S beobachtet. Die ganze Anordnung ist auf einer Platte C drehbar angeordnet. Bei der Versuchsdurchführung wurden dann die Szintillationen gezählt, die unter einem bestimmten Blickwinkel registriert werden. Unerwarteterweise waren auch unter großen Ablenkungswinkeln noch Alpha-Teilchen festzustellen.

Abb.1
Arbeitsauftrag

Sehen Sie sich das Video zum Versuchsablauf an. Vielleicht können Sie erahnen, welch große Geduld die Experimentatoren haben mussten, wenn Sie auch noch unter großen Ablenkungswinkeln Szintillationsereignisse beobachten wollten, wobei die weitwinkligen Streuereignisse im Video zu Demonstrationszwecken häufiger vorkommen als in der Realität.

Abb.2
Video: Der Rutherford'sche Streuversuch

Modellannahmen

Angeregt durch diese ersten Ergebnisse entwickelte Rutherford ein Atommodell, das von den folgenden Annahmen ausgeht:

  • Das Atom besteht aus einer Hülle und einem kleinen (idealisiert punktförmigen) massiven Kern, der fast die ganze Masse des Atoms beinhaltet.
  • Um den positiv geladenen Kern gibt es ein Coulomb-Feld; die negativ geladenen Elektronen bilden die Atomhülle.
  • Die Anzahl positiver Elementarladungen im Kern (=Kernladungszahl) ist ebenso groß wie die Zahl der Elektronen des ganzen Atoms, so dass es nach außen hin neutral erscheint.
Abb.3
Einer Skizze Rutherfords nachempfundene Zeichnung für das Rutherford'sche Atommodell. Der Kern trägt die n-fach positive Ladung np , die negativ geladenen Elektronen bilden "wild" verteilt die Atomhülle.

Probleme

Über die Verteilung der Elektronen macht das Rutherford'sche Modell keine Aussagen. Nimmt man jedoch an, dass die klassischen elektrodynamischen Gesetze auch für gebundene Elektronen gelten, dann bewegen sich diese ähnlich Planetenbahnen um den positiven Kern. Als beschleunigte Ladungen müssten die Elektronen somit ständig Strahlung aussenden und wegen dieses Energieverlustes innerhalb von sehr kurzer Zeit in den Kern stürzen. Rutherford war das Problem der „Instabilität“ seines Atommodells sehr wohl bewusst. Eine Erklärung dafür, warum die Gesetze der klassischen Elektrodynamik für ein Elektron im Atom nicht gelten sollten, konnte er jedoch nicht geben.

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