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Rutherford Atommodell

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Rutherford Atommodell

Modelle werden von Menschen immer dann erfunden, wenn sie keine genauen Kenntnisse über den tatsächlichen Sachverhalt haben. Ein bekanntes Modell ist die Welt als Scheibe. Die Menschen nahmen an, dass die Erde eine Scheibe ist, da sie keine Beweise hatten, dass es sich anders verhält. Erst mit der Zeit gewannen sie neue Kenntnisse und heute wird die Erde nicht mehr als Scheibe aufgefasst, sondern als Kugel.

Da sich ständig neue Kenntnisse ergeben, müssen Modelle stets weiterentwickelt werden. Auch Ernest Rutherford stellte 1909 ein Modell zum Atomaufbau auf, das immer noch die Grundlage für das heutige Atommodell liefert: das Rutherford Atommodell.

Rutherford'scher Streuversuch

Ernest Rutherford (1871–1937) führte dafür 1909 einen Versuch zur Untersuchung des Atomaufbaus durch. Dieser Versuch ist heute unter dem Namen Rutherford'scher Streuversuch bekannt.

Vorkenntnisse zum Atomaufbau

Bevor Rutherford sein Experiment durchführte, gab es bereits einige Vermutungen über den Atomaufbau. So wussten die Wissenschaftler bereits, dass ein Atom aus negativ geladenen Elektronen und positiven Ladungen besteht. Die negativen und positiven Ladungen im Atom heben sich dabei auf, das heißt, es gibt genauso viele positive wie negative Ladungen.

Die damaligen Vorstellungen basierten auf dem von Joseph Thomson aufgestellten Atommodell.

1903 lieferte Joseph Thomson einen ersten Erklärungsversuch zum inneren Atomaufbau, der die verschiedenen Ladungen berücksichtigt. In Thomsons Atommodell wird das Atom als eine große, nahezu masselose positive Ladungsmenge beschrieben, in der die Elektronen frei "schwimmen".

Das Atommodell von Thomson wird aufgrund der Anordnung auch oft als "Rosinenkuchenmodell" bezeichnet. Die "Rosinen" sind die Elektronen (in der Abbildung blau eingezeichnet), während der "Kuchenteig" der positiven Ladungsmenge entspricht (rot eingefärbt).

Thomson beschreibt in seinem Atommodell erstmals die innere Struktur von Atomen. Sein Modell geht davon aus, dass die Elektronen die Masse des Atoms bestimmen und sich in einer Art positiv geladener Teilchenmenge befinden.

Thomsons Ansichten sind jedoch bereits widerlegt worden.

Rutherford überprüfte nun in einem Versuch das Atommodell von Thomson.

Versuchsaufbau

Um die innere Struktur der Atome zu untersuchen, entwickelte Rutherford folgenden Versuchsaufbau:

Rutherford verwendete für seinen Streuversuch nur drei Elemente. Mithilfe von Radium, das beim Zerfall doppelt positiv geladene Alphateilchen aussendet, erhielt er einen Alphateilchenstrahl.

Wie kann Radium einfach "zerfallen"?

Radium hat einen instabilen Atomkern.

Ob ein Atomkern instabil ist oder nicht, hängt von den Wechselwirkungskräften zwischen den Neutronen und Protonen ab. Je nach Anzahl und Verhältnis dieser Bausteine sind die Wechselwirkungen unterschiedlich stark ausgeprägt. Sind die abstoßenden Kräfte zwischen den Bausteinen größer als die anziehenden, so ist der Kern instabil und zerfällt.

Ein Zerfall findet immer spontan statt und ist daher nicht vorhersagbar. Je nachdem, ob die beim Zerfall entstandenen "neuen" Atome stabil sind oder nicht, können diese sogar immer weiter zerfallen.

Bei jedem Zerfall wird radioaktive Strahlung ausgesandt. In unserem Fall, das heißt bei Radium, entsteht Alpha-Strahlung in Form von Alphateilchen. Alpha-Strahlung besteht immer aus einem doppelt positiv geladenen Heliumkern.

Möchtest Du mehr zu diesem Thema erfahren, sieh Dir die Artikel über die Alpha-Strahlung oder das Zerfallsgesetz an.

Diesen Strahl aus positiv geladenen Alphateilchen schoss Rutherford auf eine sehr dünne Goldfolie (circa 1000 Atome dick). Nun beobachtete er mithilfe eines Leuchtschirms die aus der Goldfolie austretende Strahlung.

Erwartete und tatsächliche Ergebnisse

Mit dem zugrunde liegenden Atommodell nach Thomson erwartete Rutherford folgendes Ergebnis: Keine Ablenkung der Alphateilchen! Da die positive Ladungsmenge im Thomson'schen Modell so großflächig verteilt ist und als nahezu masselos angesehen wird, sollten die Alphateilchen von dieser nicht abgestoßen werden können. Alphateilchen sind schwere Teilchen. Um sie abzulenken, sind daher auch massereiche positive Ladungen nötig.

Bei der Durchführung des Streuversuchs stellte Rutherford jedoch fest, dass diese Annahme nicht direkt zutrifft.

Wie erwartet waren, die meisten Treffer geradlinig hinter der Goldfolie zu sehen. ABER es wurden auch einige Alphateilchen leicht abgelenkt. Es wurden sogar Teilchen vorderhalb der Goldfolie auf dem Schirm registriert. Reflexion sollte am Atommodell von Thomson eigentlich nicht auftreten.

Reflexion ist der Fachbegriff für das Zurückwerfen von Licht / Wellen / o. ä. an einer Grenzschicht. In diesem Falle das Zurückwerfen der Alphateilchen an der Goldfolie.

Rutherford Atommodell: Beschreibung & Erklärung

Aufgrund der Beobachtungen aus seinem Streuversuch entwickelte Rutherford ein neues Atommodell.

Das Rutherford'sche Atommodell beschreibt die grundlegende Struktur des inneren Atomaufbaus.

Das Modell enthält einen Atomkern, der positiv geladen ist, nahezu die gesamte Masse des Atoms darstellt und trotzdem sehr klein ist. Der Atomkern ist von einer viel größeren Atomhülle umgeben, in der sich die Elektronen aufhalten.

Die abgelenkten und zurückgestreuten Teilchen führt Rutherford auf die positive Ladungsmenge im Atomkern zurück. Da sich zwei positive Ladungen gegenseitig abstoßen, müssen die Alphateilchen im Atom auf eine ebenfalls positive Ladung gestoßen sein. Es sind allerdings nur sehr wenige Teilchen wirklich reflektiert worden, der größere Teil wurde nur abgelenkt. Daher muss die positive Ladung auf einem sehr kleinen Punkt konzentriert sein: dem Atomkern. Da die Alphateilchen eine relativ große Masse besitzen (im Gegensatz z. B. zu den Elektronen), muss auch der Kern eine sehr große Masse besitzen, da er die Alphateilchen sonst nicht ablenken könnte.

Die meisten Alphateilchen haben die Goldfolie passiert, ohne abgelenkt oder reflektiert zu werden. Daraus zog Rutherford den Schluss, dass der Atomkern von einer sehr viel größeren Hülle umgeben sein muss. In dieser Hülle befinden sich die Elektronen, die die positive Ladung des Atomkerns nach außen hin neutralisieren.

Angenommen, wir haben eine Reihe aus Fußbällen und eine Reihe aus Golfbällen vor uns liegen. Jeder Ball liegt an einem bestimmten Punkt, bei 0 cm, 50 cm, 100 cm usw.:

Versuchst Du mit einem anderen Fußball zwischen den aufgereihten Fußbällen hindurch zu schießen, ist es unwahrscheinlich, dass Du triffst, ohne einen Ball zu berühren oder ihm zu nahezukommen. Wenn Du aber versuchst, mit dem Fußball zwischen die Golfbälle zu treffen, dann ist die Wahrscheinlichkeit viel größer, dass Du geradlinig durchschießen wirst.

Und genauso verhält es sich mit den Atomkernen. Würden sie sehr groß sein, wären viel mehr Teilchen abgelenkt oder reflektiert worden.

Nun kannst Du Dir vorstellen, wieso die Atomhülle so viel größer als der Kern sein muss. Du kannst viel leichter geradlinig an den Bällen vorbeischießen, wenn zwischen den Bällen mehr Platz ist.

Rutherford Atommodell: Kernaussagen und Aufbau

Hier findest Du noch mal alle wesentlichen Kernaussagen über das Atommodell von Rutherford und eine beschriftete Skizze des Modells:

Kernaussagen von Rutherfords Atommodell:

  • Der Atomkern ist sehr klein im Vergleich zur Atomhülle
  • Nahezu die gesamte Atommasse ist nur im Kern konzentriert
  • Der Atomkern ist positiv geladen. Die negativ geladenen Elektronen "schwimmen" in der Hülle und schirmen so den Kern nach außen hin ab.

In der folgenden Abbildung findest Du das Ganze noch mal grafisch dargestellt:

Rutherford'sches Atommodell: Probleme

Auch das Atommodell von Rutherford ist noch nicht das Endergebnis für eine exakte Beschreibung des tatsächlichen Atomaufbaus gewesen. Zwar stellte Rutherford eine Grundstruktur des Atomaufbaus auf, die heute immer noch ihre Gültigkeit hat, allerdings konnte er nicht alle Aspekte erklären.

So fand Rutherford keine Erklärung für die Stabilität des Atoms, wieso die Elektronen z. B. nicht einfach vom Kern angezogen werden, sondern sich in der Hülle bewegen. Würden die Elektronen aufgrund der Anziehungskräfte in den Kern stürzen, könnten keine stabilen Atome existieren. Auch die Bewegungsform der Elektronen konnte Rutherford nicht beschreiben.

Wir machen einen kurzen Ausflug in die Elektrodynamik, um zu verstehen, wieso die Überlegungen aus Rutherfords Zeit die Bewegung der Elektronen nicht erklären konnten.

Nach damaligen Ansichten bewegten sich die Elektronen auf Kreisbahnen um den Kern.

Dies ist aufgrund elektrodynamischer Betrachtungen nicht möglich. Bewegen sich Ladungen auf Kreisbahnen, so verlieren sie stetig an Energie und könnten daher nicht ewig um den Kern kreisen. Sie würden früher oder später immer näher an den Kern kommen und letztendlich in den Kern stürzen.

Durch den permanenten Energieverlust beim Kreisen würde zudem ein kontinuierliches Spektrum elektromagnetischer Wellen entstehen. Das Spektrum eines Atoms ist jedoch diskret und zeigt spezifische Spektrallinien, je nach Art des Atoms.

Mehr zu den verschiedenen Spektren und deren Entstehung findest Du im Artikel "Farbspektrum".

Rutherford Atommodell - Das Wichtigste

  • Thomson stellte als Erster ein Modell zur inneren Struktur von Atomen auf. Er ging davon aus, dass sich die Elektronen in einer Art positiven Masse aufhalten.
  • Rutherford untersuchte den Atomaufbau mithilfe eines Streuversuchs, um Thomsons Modell genauer zu analysieren.
  • Der Versuch bewies, dass Thomsons Modell Überarbeitung benötigte.
  • Rutherford zeigte mit seinem Versuch, dass der Kern sehr klein, massereich und positiv geladen sein muss.
  • Zudem umgibt eine deutlich größere Hülle den Kern, in der negativ geladene Elektronen den Kern nach außen abschirmen.
  • Rutherford löst mit seinem Modell das "Rosinenkuchenmodell" von Thomson ab.
  • Problem: Rutherford konnte die Bewegung der Elektronen und damit die Stabilität der Atome nicht erklären. Es fordert also ein weiteres Modell.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Rutherford Atommodell

Rutherford entdeckte ein neues Atommodell, das das Modell von Thomson ablöste. Er stellte die bis heute anerkannte Grundstruktur des Atomaufbaus (kleiner Atomkern, der von Elektronen in einer Hülle umgeben ist) dar.

Rutherford zeigte mit einem Versuch, dass der Atomkern sehr klein, massereich und positiv geladen sein muss. Zudem wird der Kern von einer Hülle umgeben, die sehr viel größer ist, als der Kern selbst und in der sich die negativ geladenen Elektronen aufhalten.

Bohr erweiterte das Rutherford'sche Atommodell um einen Erklärungansatz für die kreisenden Elektronen. Seine These lautete, dass die Elektronen auf einigen bestimmten Bahnen um den Kern kreisen können, ohne Energie zu verlieren.

Die Bezeichnung "Kernhüllenmodell" basiert auf der Entdeckung Rutherfords, dass Atome aus einem Kern und einer Hülle bestehen. Sein Streuversuch zeigte, dass es einen sehr großen Raum um den Kern geben muss, den die Alpha-Teilchen ungehindert passieren können.

Finales Rutherford Atommodell Quiz

Frage

Wessen Modell bildet die Grundlage für Rutherfords Modell?

Antwort anzeigen

Antwort

Das "Rosinenkuchenmodell" von Thomson.

Frage anzeigen

Frage

Welche Aussagen über Rutherfords Modell stimmen?

  1. Der Atomkern ist negativ geladen.
  2. Der Atomkern ist sehr klein.
  3. Die Elektronen befinden sich in der Atomhülle.
  4. Der Atomkern ist größer als die Elektronen.
Antwort anzeigen

Antwort

  1. falsch
  2. Der Atomkern ist sehr klein.
  3. Die Elektronen befinden sich in der Atomhülle.
  4. falsch
Frage anzeigen

Frage

Mit welchem Versuch entdeckte Rutherford sein Modell?

Antwort anzeigen

Antwort

Mit dem Rutherford'schen Streuversuch.

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe den grundlegenden Versuchsaufbau von Rutherford in wenigen Worten.

Antwort anzeigen

Antwort

Rutherford beschießt eine Goldfolie mit Alphteilchen. Die Alphateilchen werden rund um die Goldfolie auf einem Leuchtschirm registriert.


Frage anzeigen

Frage

Welche Grenzen zeigt das Modell von Rutherford?

Antwort anzeigen

Antwort

Rutherford kann nicht alle Aspekte erklären. Er scheitert an der Aussage über das Elektronenverhalten und damit an der Stabilität der Atome.

Frage anzeigen

Frage

Welches Ergebnis konnte bei Rutherfords Streuversuch beobachtet werden?

Antwort anzeigen

Antwort

Der Versuch zeigte, dass die Alphateilchen die Goldfolie nicht alle ungehindert passieren konnten. Einige Teilchen wurden abgelenkt oder sogar reflektiert.

Frage anzeigen

Frage

Welche Aussagen trifft Rutherfords Atommodell? (Stichpunkte)

Antwort anzeigen

Antwort

  • Atomkerne sind positiv geladen, sehr klein und enthalten nahezu die gesamte Masse des Atoms.
  • Die Elektronen befinden sich in einer großen Hülle um den Atomkern.
Frage anzeigen
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