Hast Du auch manchmal einen unbändigen Wissensdurst? Wenn er Dich erst mal gepackt hat, zückst Du Dein Smartphone und tippst ein paar prägnante Begriffe in die Suchleiste. Nach ein paar Mikrosekunden trudeln auch schon die ersten Ergebnisse ein. Was für ein Gefühl. Die Welt des Wissens liegt buchstäblich in Deinen Händen.
Neugierde führte auch Ernest Rutherford zu einer seiner größten Entdeckungen: dem nach ihm benannten Rutherford Atommodell. Mit der damaligen Veröffentlichung zwischen 1909 und 1911 hat es die Welt ein kleines bisschen verständlicher gemacht.
Das Rutherford Atommodell einfach erklärt
Rutherford hat als erster Wissenschaftler herausgefunden, dass es im Zentrum jedes Atoms einen Atomkern geben muss. Darin sammelt sich nach seinen Erkenntnissen fast die gesamte Masse des Atoms. Zudem fand er heraus, dass die Elektronen nur eine sehr geringe Masse haben und außerhalb des Atomkerns liegen.
Nach dem Rutherford Atommodell besteht ein Atom aus einem positiv geladenen Atomkern, der von negativ geladenen Elektronen umgeben ist.
In Abbildung 1 siehst Du, wie das Rutherford Atommodell aufgebaut ist.
Abbildung 1: Atommodell nach Rutherford.
Der Atomkern trägt so viele positive Ladungen wie nötig, um die negativ geladenen Elektronen auszugleichen. Dadurch erscheint das Atom nach außen hin neutral geladen. Damals wussten die Menschen noch nicht, dass Atomkerne aus Neutronen und Protonen bestehen. Die Elektronen befinden sich innerhalb der sogenannten Atomhülle.
Grundlage bildet das Atommodell nach Thomson
Das Rutherford Atommodell baut auf eine im Jahr 1904 eingeführte Theorie von Joseph John Thomson auf. Du kennst das Thomson Atommodell vielleicht eher unter dem Begriff "Rosinenkuchenmodell". Damals hat sich der Wissenschaftler nämlich vorgestellt, dass Atome aus einer positiv geladenen Masse bestehen, in der die negativ geladenen Elektronen gleichmäßig verteilt sind.
Wenn Du mehr zum Atommodell von Thomson lesen willst, wirf gern mal einen Blick in die Erklärung Atommodell aus dem Bereich Kernphysik.
Rutherford hat sich gefragt, ob das Atommodell von Thomson denn überhaupt stimmt und Atome wirklich wie Rosinenkuchen aufgebaut sind. Vielleicht mochte er auch einfach keinen Rosinenkuchen – dieser ist natürlich Geschmackssache. Jedenfalls war seine Neugierde so groß, dass er die Wahrheit herausfinden wollte.
Also führte er zusammen mit seinen Mitarbeitern Hans Geiger und Ernest Marsden ein Experiment durch, das heute unter dem Namen Rutherfordscher Streuversuch bekannt ist.
Der Rutherfordsche Streuversuch
Für dieses Experiment benötigten die drei Wissenschaftler zunächst einen sogenannten Alphastrahler (α-Strahler). Dafür nahmen sie Radium, das zweifach positiv geladene Alphateilchen (α-Teilchen) aussendet.
Alphateilchen entstehen beim radioaktiven Zerfall von instabilen Atomkernen. Auch Radium ist instabil und unterliegt einem solchen radioaktiven Zerfall, dem Alphazerfall. Dabei wird ein Helium-4-Atom vom Mutteratomkern (hier Radium) abgestoßen. Das Helium-4-Atom bildet den Tochteratomkern und wird Alphateilchen genannt.
Alphastrahlung ist sehr energiereich und kann unter anderem Elektronen aus der Atomhülle rausschlagen. Daher wird sie auch als ionisierende Strahlung bezeichnet.
Wenn Du mehr zu diesem Thema lesen willst, schau Dir gern die äußerst interessante Erklärung zur Alphastrahlung an.
Diesen Alphateilchenstrahl richteten die Forscher auf eine sehr dünne Goldfolie (nur etwa 1.000 Atome dick). Jetzt mussten sie nur noch sehen, was passiert. Also nutzten sie einen Leuchtschirm, mit dem sie die austretende Strahlung sehen konnten.
Vielleicht fragst Du Dich, warum Rutherford ausgerechnet Goldfolie benutzt hat. Der Grund dafür ist, dass sich Gold auch damals schon in extrem dünne Folien walzen ließ. Außerdem besitzen Goldatome eine hohe Atommasse. Das war für eine eindeutige Auswertung des Experiments besonders wichtig, denn je schwerer der Atomkern eines Atoms, desto stärker werden die Alphastrahlen abgelenkt.
Erwartete und tatsächliche Ergebnisse des Streuversuchs
Rutherford hatte stets das Atommodell nach Thomson im Hinterkopf und erwartete daher, dass keines der Alphateilchen abgelenkt wird. Nach diesem Modell ist die positive Ladungsmenge großflächig verteilt und fast masselos. Aus diesem Grund sollten die schweren Alphateilchen nicht abgelenkt werden können, da dazu ebenfalls schwere Masseteilchen nötig wären.
Nachdem sie die Goldfolie durchdrungen haben, trafen die Alphateilchen nicht nur auf einem einzigen Punkt des Leuchtschirms auf. Der Alphastrahl wurde teilweise abgelenkt, sodass der Leuchtschirm an verschiedenen Stellen aufblitzte. Besonders überraschend war dabei, dass einige Alphateilchen sogar bei einem Winkel von über 90° auftrafen, also reflektiert wurden.
Damit deckt sich die Vorstellung von Thomson nicht mit der Realität, also beschloss Rutherford, ein neues Atommodell aufzustellen.
Schlussfolgerungen des Streuversuchs
Für Rutherford waren die Ergebnisse der Beweis dafür, dass sich im Zentrum eines Atoms eine positive Ladungsmenge befinden muss. Der Grund für seine Annahme war die Tatsache, dass sich zwei positive Ladungen gegenseitig abstoßen. Die zweifach positiv geladenen und schweren Alphateilchen müssen also auf eine ebenfalls positive Masse gestoßen sein.
Allerdings wurden nur wenige Alphateilchen zurückgeworfen oder stark abgelenkt. Das führte ihn zu der weiteren Annahme, dass sich die positive Ladungsmenge auf einen sehr kleinen Punkt konzentriert – dem Atomkern. Über die genaue Verteilung der Elektronen konnte Rutherford allerdings keine Aussage treffen.
Kernaussagen des Rutherford Atommodells:
- Der Atomkern ist sehr klein im Vergleich zur gesamten Atomgröße.
- Fast die ganze Atommasse liegt im Atomkern.
- Atomkerne sind positiv geladen. Die negativ geladenen Elektronen liegen außerhalb des Atomkerns und schirmen diesen nach außen ab.
Die Probleme vom Rutherford Atommodell
Mit dem Rutherford Atommodell hat die Wissenschaft große Fortschritte gemacht und obwohl es mittlerweile modernere Modelle gibt, hat es bis heute Gültigkeit. Rutherford konnte allerdings nicht alle Aspekte erklären, die zum vollständigen Verständnis des Atomaufbaus nötig sind.
Rutherford wusste zum Beispiel nicht, warum Atome stabil sind. Wenn es nämlich einen positiv geladenen Atomkern gibt, warum zieht er dann nicht alle Elektronen ungebremst an? Denn so verhalten sich zwei Massen unterschiedlicher Ladungen normalerweise. Falls die Elektronen auf diese Weise in den Kern stürzen würden, gäbe es keine stabilen Atome.
Das Rutherford Atommodell wurde im Laufe der Jahre durch das direkt darauf aufbauende Bohrsche Atommodell und das moderne Orbitalmodell erweitert.
Rutherford Atommodell – Das Wichtigste
- Das Rutherford Atommodell besagt, dass es einen positiv geladenen Atomkern geben muss, der beinahe die gesamte Masse des Atoms enthält.
- Zu den Positionen der Elektronen konnte Rutherford keine Aussage treffen, allerdings wusste er, dass sie den Atomkern nach außen abschirmen.
- Das Rutherford Atommodell baut auf dem Atommodell nach Thomson auf und ist der Vorreiter des Bohrschen Atommodells.
- Grundlage vom Rutherford Atommodell sind die von Rutherford und seinen Mitarbeitern durchgeführten Streuversuche.
- Das Rutherford Atommodell trifft keine Aussage darüber, warum die Elektronen nicht mit dem Atomkern zusammenprallen, obwohl sie sich durch die entgegengesetzten Ladungen anziehen.
Nachweise
- chemteam.info: On a Diffuse Reflection of the α-Particles. (19.07.2022)
- Edward Andrade (1964). Rutherford and the Nature of the Atom. Doubleday New York.
- E. Rutherford (1911). The Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atom. Phil. Mag. 6.
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