RUTHERFORDS EXPERIMENT: GESCHICHTE, BESCHREIBUNG UND SCHLUSSFOLGERUNGEN - WISSENSCHAFT - 2025

Das zwischen 1908 und 1913 durchgeführte Experiment Rutherford bestand darin, einen dünnen Goldfilm mit einer Dicke von 0,0004 mm mit Alpha-Partikeln zu bombardieren und das Dispersionsmuster der Partikel zu analysieren, die auf einem Fluoreszenzschirm zurückgelassen wurden.

Tatsächlich führte Rutherford zahlreiche Experimente durch, um die Details immer weiter zu verfeinern. Nach sorgfältiger Analyse der Ergebnisse ergaben sich zwei sehr wichtige Schlussfolgerungen:

-Die positive Ladung des Atoms ist in einer Region konzentriert, die als Kern bezeichnet wird.

-Dieser Atomkern ist im Vergleich zur Größe des Atoms unglaublich klein.

Abbildung 1. Rutherfords Experiment. Quelle: Wikimedia Commons. Kurzon

Ernest Rutherford (1871-1937) war ein in Neuseeland geborener Physiker, dessen Interessengebiet die Radioaktivität und die Natur der Materie war. Radioaktivität war ein neueres Phänomen, als Rutherford seine Experimente begann. Sie wurde 1896 von Henri Becquerel entdeckt.

1907 ging Rutherford an die Universität von Manchester in England, um die Struktur des Atoms zu untersuchen. Dabei wurden diese Alpha-Teilchen als Sonden verwendet, um in eine so winzige Struktur zu blicken. Die Physiker Hans Geiger und Ernest Marsden begleiteten ihn bei dieser Aufgabe.

Sie hofften zu sehen, wie ein Alpha-Teilchen, das ein doppelt ionisiertes Heliumatom ist, mit einem einzelnen Goldatom wechselwirkt, um sicherzustellen, dass jede Abweichung ausschließlich auf elektrische Kraft zurückzuführen ist.

Die meisten Alpha-Partikel passierten jedoch die Goldfolie mit nur geringer Abweichung.

Diese Tatsache stimmte vollständig mit dem Atommodell von Thomson überein. Zur Überraschung der Forscher zeigte jedoch ein kleiner Prozentsatz der Alpha-Partikel eine bemerkenswerte Abweichung.

Und ein noch geringerer Prozentsatz der Partikel würde zurückkommen und vollständig zurückprallen. Worauf waren diese unerwarteten Ergebnisse zurückzuführen?

Beschreibung und Schlussfolgerungen des Experiments

Tatsächlich sind die Alpha-Partikel, die Rutherford als Sonde verwendete, Heliumkerne, und zu diesem Zeitpunkt war nur bekannt, dass diese Partikel positiv geladen waren. Heute ist bekannt, dass Alpha-Teilchen aus zwei Protonen und zwei Neutronen bestehen.

Alpha-Partikel und Beta-Partikel wurden von Rutherford als zwei verschiedene Arten von Uranstrahlung identifiziert. Alpha-Teilchen, die viel massereicher als das Elektron sind, haben eine positive elektrische Ladung, während Beta-Teilchen Elektronen oder Positronen sein können.

Abbildung 2. Detailliertes Schema des Experiments von Rutherford, Geiger und Marsden. Quelle: R. Knight. Physik für Wissenschaftler und Ingenieure: ein strategischer Ansatz. Pearson.

Ein vereinfachtes Schema des Experiments ist in Abbildung 2 dargestellt. Der Alpha-Teilchenstrahl stammt aus einer radioaktiven Quelle. Geiger und Marsden verwendeten Radongas als Emitter.

Die Bleiblöcke wurden verwendet, um die Strahlung auf die Goldfolie zu richten und zu verhindern, dass sie direkt zum Fluoreszenzschirm gelangt. Blei ist ein Material, das Strahlung absorbiert.

Anschließend wurde der so gerichtete Strahl auf eine dünne Goldfolie auftreffen gelassen, und die meisten Partikel setzten ihren Weg zum fluoreszierenden Zinksulfatschirm fort, wo sie eine kleine Lichtspur hinterließen. Geiger war dafür verantwortlich, sie einzeln zu zählen, obwohl sie später ein Gerät entwarfen, das dies tat.

Die Tatsache, dass einige Partikel eine kleine Ablenkung erfuhren, überraschte Rutherford, Geiger und Marsden nicht. Immerhin gibt es positive und negative Ladungen auf das Atom, die Kräfte auf die Alpha-Teilchen ausüben, aber da das Atom neutral ist, was sie bereits wussten, mussten die Abweichungen gering sein.

Die Überraschung des Experiments ist, dass einige positive Partikel fast direkt zurückgeworfen wurden.

Schlussfolgerungen

Etwa 1 von 8000 Alpha-Partikeln wurde bei Winkeln von mehr als 90 ° abgelenkt. Wenige, aber genug, um einige Dinge in Frage zu stellen.

Das in Mode befindliche Atommodell war das des Rosinenpuddings von Thomson, Rutherfords ehemaligem Professor am Cavendish Laboratory, aber Rutherford fragte sich, ob die Idee eines Atoms ohne Kern und mit als Rosinen eingebetteten Elektronen richtig war.

Denn es stellt sich heraus, dass diese großen Ablenkungen von Alpha-Partikeln und die Tatsache, dass einige zurückkehren können, nur erklärt werden können, wenn ein Atom einen kleinen, schweren, positiven Kern hat. Rutherford ging davon aus, dass nur die elektrischen Anziehungs- und Abstoßungskräfte, wie im Coulombschen Gesetz angegeben, für Abweichungen verantwortlich sind.

Wenn sich einige der Alpha-Teilchen direkt diesem Kern nähern und die elektrische Kraft mit dem umgekehrten Quadrat der Entfernung variiert, spüren sie eine Abstoßung, die ihnen die Weitwinkelstreuung oder die Rückwärtsablenkung verursacht.

Natürlich experimentierten Geiger und Marsden mit dem Beschuss von Blechen aus verschiedenen Metallen, nicht nur aus Gold, obwohl dieses Metall für seine Formbarkeit am besten geeignet war, um sehr dünne Bleche herzustellen.

Durch ähnliche Ergebnisse war Rutherford davon überzeugt, dass sich die positive Ladung des Atoms im Kern befinden und nicht über sein gesamtes Volumen verteilt sein sollte, wie Thomson in seinem Modell postulierte.

Andererseits musste der Kern im Vergleich zur Atomgröße sehr, sehr klein sein, da die überwiegende Mehrheit der Alpha-Teilchen ohne Abweichung passierte. Dieser Kern musste jedoch den größten Teil der Masse des Atoms konzentrieren.

Einflüsse auf das Modell des Atoms

Die Ergebnisse überraschten Rutherford sehr, der auf einer Konferenz in Cambridge erklärte: „… es ist, als würde man eine 15-Zoll-Kanonenkugel auf ein Blatt Seidenpapier abfeuern und das Projektil direkt auf Sie zuprallen und Sie treffen.“

Da diese Ergebnisse nicht durch Thomsons Atommodell erklärt werden konnten, schlug Rutherford vor, dass das Atom aus einem Kern besteht, der sehr klein, sehr massiv und positiv geladen ist. Die Elektronen blieben wie ein Miniatur-Sonnensystem in Umlaufbahnen um ihn herum.

Abbildung 3. Rutherfords Atommodell links und Thomsons Rosinenpuddingmodell rechts. Quelle: Wikimedia Commons. Bild links: Jcymc90

Darum geht es in dem in Abbildung 3 links gezeigten Kernmodell des Atoms. Da Elektronen auch sehr, sehr klein sind, stellt sich heraus, dass das Atom fast alles ist…. leer! Daher passieren die meisten Alpha-Partikel die Folie kaum abgelenkt.

Und die Analogie zu einem Miniatur-Sonnensystem ist sehr genau. Der Atomkern spielt die Rolle der Sonne und enthält fast die gesamte Masse plus die positive Ladung. Elektronen umkreisen sie wie Planeten und tragen eine negative Ladung. Die Baugruppe ist elektrisch neutral.

Über die Verteilung der Elektronen im Atom zeigte Rutherfords Experiment nichts. Sie könnten denken, dass die Alpha-Teilchen eine gewisse Wechselwirkung mit ihnen haben würden, aber die Masse der Elektronen ist zu klein und sie konnten die Teilchen nicht signifikant ablenken.

Nachteile des Rutherford-Modells

Ein Problem bei diesem Atommodell war genau das Verhalten der Elektronen.

Wenn diese nicht statisch wären, sondern den Atomkern in kreisförmigen oder elliptischen Bahnen umkreisen würden, angetrieben durch elektrische Anziehung, würden sie auf den Kern zueilen.

Dies liegt daran, dass die beschleunigten Elektronen Energie verlieren, und wenn dies geschieht, wäre dies der Zusammenbruch des Atoms und der Materie.

Zum Glück passiert das nicht. Es gibt eine Art dynamische Stabilität, die ein Zusammenfallen verhindert. Das nächste Atommodell nach Rutherford war Bohrs, das einige Antworten darauf gab, warum kein Atomkollaps auftritt.

Das Proton und das Neutron

Rutherford führte weiterhin Streuexperimente durch. Zwischen 1917 und 1918 bombardierten er und sein Assistent William Kay gasförmige Stickstoffatome mit den hochenergetischen Alpha-Partikeln aus Wismut-214.

Er war erneut überrascht, als er Wasserstoffkerne entdeckte. Dies ist die Reaktionsgleichung, die erste künstliche Kerntransmutation, die jemals erreicht wurde:

Die Antwort war: aus dem gleichen Stickstoff. Rutherford hatte Wasserstoff die Ordnungszahl 1 zugewiesen, weil es das einfachste Element von allen ist: ein positiver Kern und ein negatives Elektron.

Rutherford hatte ein grundlegendes Teilchen gefunden, das er Proton nannte, ein Name, der vom griechischen Wort für zuerst abgeleitet war. Auf diese Weise ist das Proton ein wesentlicher Bestandteil jedes Atomkerns.

Später, um 1920, schlug Rutherford vor, dass es ein neutrales Teilchen mit einer Masse geben muss, die der des Protons sehr ähnlich ist. Er nannte dieses Teilchen ein Neutron und es ist Teil fast aller bekannten Atome. Der Physiker James Chadwick identifizierte es schließlich 1932.

Wie sieht ein maßstabsgetreues Modell des Wasserstoffatoms aus?

Das Wasserstoffatom ist, wie gesagt, das einfachste von allen. Es war jedoch nicht einfach, ein Modell für dieses Atom zu entwickeln.

Aufeinanderfolgende Entdeckungen führten zur Quantenphysik und einer ganzen Theorie, die Phänomene auf atomarer Ebene beschreibt. Während dieses Prozesses entwickelte sich auch das Atommodell. Aber schauen wir uns die Frage der Größen an:

Das Wasserstoffatom hat einen Kern aus einem Proton (positiv) und ein einzelnes Elektron (negativ).

Der Radius des Wasserstoffatoms wurde auf 2,1 × 10 ^–10 m geschätzt , während der des Protons 0,85 × 10 ^–15 m oder 0,85 Femtometer beträgt . Der Name dieser kleinen Einheit stammt von Enrico Fermi und wird häufig bei Arbeiten in dieser Größenordnung verwendet.

Nun, der Quotient zwischen dem Radius des Atoms und dem des Kerns liegt in der Größenordnung von 10 ⁵ m, dh das Atom ist 100.000 Mal größer als der Kern!

Es muss jedoch berücksichtigt werden, dass im zeitgenössischen Modell, das auf der Quantenmechanik basiert, das Elektron den Kern in eine Art Wolke hüllt, die als Orbital bezeichnet wird (ein Orbital ist keine Umlaufbahn), und das Elektron auf atomarer Ebene nicht pünktlich.

Wenn das Wasserstoffatom - einfallsreich - auf die Größe eines Fußballfeldes vergrößert würde, hätte der aus einem positiven Proton zusammengesetzte Kern die Größe einer Ameise in der Mitte des Feldes, während das negative Elektron wie eine Art Geist wäre. über das Feld verstreut und um den positiven Kern herum.

Das Atommodell heute

Dieses Atommodell vom "Planetentyp" ist sehr tief verwurzelt und das Bild, das die meisten Menschen vom Atom haben, da es sehr einfach zu visualisieren ist. Es ist jedoch heute im wissenschaftlichen Bereich nicht das akzeptierte Modell.

Zeitgenössische Atommodelle basieren auf der Quantenmechanik. Sie weist darauf hin, dass das Elektron im Atom kein negativ geladener Punkt ist, der präzisen Umlaufbahnen folgt, wie Rutherford es sich vorgestellt hat.

Vielmehr ist das Elektron in Bereichen um den positiven Kern gestreut, die als Atomorbitale bezeichnet werden. Von ihm können wir die Wahrscheinlichkeit kennen, in dem einen oder anderen Zustand zu sein.

Trotzdem stellte Rutherfords Modell einen enormen Fortschritt in der Kenntnis der inneren Struktur des Atoms dar. Und es ebnete den Weg für mehr Forscher, es weiter zu verfeinern.

Verweise

1. Andriessen, M. 2001. HSC-Kurs. Physik 2. Jacaranda HSC Science.
2. Arfken, G. 1984. Universitätsphysik. Akademische Presse.
3. Knight, R. 2017. Physik für Wissenschaftler und Ingenieure: ein strategischer Ansatz. Pearson.
4. Physik OpenLab. Das Rutherford-Geiger-Marsden-Experiment. Wiederhergestellt von: physicsopenlab.org.
5. Rex, A. 2011. Grundlagen der Physik. Pearson.
6. Tyson, T. 2013. Das Rutherford-Streuexperiment. Abgerufen von: 122.physics.ucdavis.edu.
7. Xaktly. Rutherfords Experimente. Wiederhergestellt von: xaktly.com.
8. Wikipedia. Rutherfords Experiment. Wiederhergestellt von: es.wikipedia.org.