Rutherfords Atommodell

Rutherfords Atommodell Übung

• Beschrifte Rutherfords Streuversuch.

  Tipps

  Rutherford verwendete in seinem Streuversuch eine hauchdünne Folie aus diesem Element.

  Der radioaktive Strahler sendet positiv geladene $\boldsymbol{\alpha}$-Teilchen aus.

  Lösung

  Rutherford widerlegte 1911 die Vorstellung von Thomson, dass Elektronen in eine positive Atommasse eingebettet sind.

  In seinem Streuversuch beschoss er eine dünne Goldfolie mit $\alpha$-Teilchen (zweifach positiv geladene Heliumkerne) aus einem $\boldsymbol{\alpha}$-Strahler. Die $\alpha$-Teilchen stammten aus einem Zerfallsprodukt, wie es beim Zerfall von Radium entsteht.

  Nach dem Rosinenkuchenmodell von Thomson, das eine gleichmäßige Verteilung von Masse und positiver Ladung im Atom annimmt, erwartete Rutherford, dass die schnellen α-Teilchen fast ungehindert die Goldfolie durchdringen würden.

  Auf den ersten Blick wurde seine Vermutung bestätigt: Mithilfe des Leuchtschirms konnte er feststellen, dass ein Großteil der Teilchen kaum abgelenkt wurde. Ein kleinerer Teil hingegen wurde geringfügig abgelenkt. Die abgelenkten $\alpha$-Teilchen verursachten auf dem Leuchtschirm kleine Lichtblitze.

  Außerdem konnte er feststellen, dass einige wenige Teilchen deutlich stärker gestreut und einzelne sogar direkt zurückgeworfen wurden.

  Diese Beobachtungen widerlegten das Rosinenkuchenmodell und führten Rutherford zur Entwicklung eines neuen Atommodells, bei dem die positive Ladung und nahezu die gesamte Masse des Atoms in einem winzigen, dichten Atomkern konzentriert sind, um den sich die Elektronen bewegen.

• Beschreibe Rutherfords Streuversuch näher.

  Tipps

  Hier siehst du ein Atom mit seinem Atomkern in der Mitte und seiner Atomhülle mit den Elektronen.

  $\alpha$-Teilchen sind positiv geladen.

  Lösung

  In seinem Streuversuch stellte Rutherford anders als erwartet fest, dass einige $\alpha$-Teilchen geringfügig abgelenkt und wenige stark abgelenkt oder sogar zurückgestreut werden, wenn sie auf die Goldfolie treffen. Daraus folgerte er, dass die Atome in der Mitte einen sehr kleinen und positiv geladenen Atomkern besitzen, der fast die gesamte Masse enthält. Der Atomkern enthält also fast die gesamte Masse des Atoms.

  Die meisten $\alpha$-Teilchen passieren die Atomhülle nahezu ungehindert, da diese überwiegend leer ist. Daraus schloss Rutherford, dass die negativ geladenen Elektronen in einem großen Abstand zum Atomkern angeordnet sind. Die Elektronen tragen kaum zur Gesamtmasse des Atoms bei.

• Charakterisiere das rutherfordsche Atommodell.

  Tipps

  Die Atomhülle enthält die Elektronen.

  Jedem Element werden drei Aussagen zugeordnet.

  Lösung

  Durch seinen Streuversuch entwickelte Rutherford ein neues Atommodell: das Kern-Hülle-Modell mit folgenden Kernaussagen für jedes Atom:

  Der Atomkern ist ...

  • ... massereich,
  • ... positiv geladen und
  • ... klein.

  
  Die Atomhülle hingegen ist ...

  • ... massearm,
  • ... durch die Elektronen negativ geladen und
  • ... ein großer nahezu leerer Raum.

• Erkläre die Grenzen des rutherfordschen Atommodells.

  Tipps

  Drei Antworten sind richtig.

  Lösung

  Auch wenn Rutherford davon ausging, dass die Elektronen um den Atomkern wie Planeten um die Sonne kreisen, so konnte er am Ende mit seinem Modell nicht vollständig klären, warum das so war.

  Denn die Elektronen bewegen sich zwar um den Atomkern, aber sie ...

  • ... stürzen trotz der Anziehung durch den positiv geladenen Kern nicht in diesen.
  • ... werden nicht langsamer.
  • ... verlieren keine Energie (nach den Gesetzen der klassischen Physik sollten sie Energie verlieren, was sie jedoch nicht tun).

  Rutherfords Kern-Hülle-Modell konnte also nicht erklären, warum Atome stabil sind und die Elektronen nicht in den Kern stürzen.

• Benenne die Atommodelle.

  Tipps

  Dalton stellte sich Atome als kleine, unteilbare Kugeln vor.

  Rutherford zeigte, dass sich die gesamte positive Masse im sehr kleinen Atomkern befindet.

  Lösung

  Der englische Naturforscher J. Dalton revolutionierte mit seinem Atommodell bzw. seiner Atomhypothese die bisherigen Erkenntnisse zum Aufbau der Materie. Er postulierte, dass Atome klein, kugelförmig und unteilbar sind, die sich je nach Element in ihrer Masse und ihren Eigenschaften unterscheiden.

  Der britische Physiker J. J. Thomson entwickelte das sogenannte Rosinenkuchenmodell. Er konnte zeigen, dass Atome negativ geladene Elektronen enthalten. Dabei verstand er Atome als positive Masse, in die Elektronen wie Rosinen in einen Kuchen eingebettet sind.

  Der in Neuseeland geborene Physiker E. Rutherford entwickelte das Kern-Hülle-Modell. Atome bestehen seiner Vorstellung nach aus sehr kleinen, positiv geladenen Kernen. Der Atomkern wird von einer Atomhülle umgeben, in der sich die negativ geladenen Elektronen bewegen. Der Kern enthält fast die gesamte Masse des Atoms, während die Atomhülle größtenteils leer ist.

  Der dänische Physiker N. Bohr verfeinerte das Atommodell von Rutherford und entwickelte das bohrsche Atommodell bzw. Schalenmodell. In seinem Modell bewegen sich die Elektronen auf festen Bahnen (Schalen) um den positiv geladenen Atomkern. Dabei können die Elektronen nur bestimmte Energieniveaus einnehmen und wechseln zwischen diesen, indem sie Energie aufnehmen oder abgeben. Dieses Modell erklärte erstmals die stabile Struktur der Atome und die Entstehung von Linienspektren, was einen wichtigen Fortschritt im Verständnis der Atomphysik darstellte.

• Unterscheide die verschiedenen Atommodelle.

  Tipps

  Hier siehst du das von dem Physiker Niels Bohr entwickelte Schalenmodell.

  Hier siehst du das Orbitalmodell, das eine Weiterentwicklung des Schalenmodells darstellt.

  Lösung

  Seit der Entwicklung von Daltons Atomtheorie wurden die Vorstellungen über den Aufbau der Atome durch verschiedene Modelle stetig weiterentwickelt.

  Thomson entwickelte das Rosinenkuchenmodell, in dem die Elektronen wie Rosinen in eine positive Masse eingebettet sind.

  Dieses Modell wurde jedoch durch Rutherfords Streuversuch widerlegt. Er zeigte, dass Atome aus einem winzigen, positiv geladenen Kern bestehen, der fast die gesamte Masse des Atoms enthält. Die Atomhülle hingegen besteht aus nahezu leerem Raum, in dem sich die nahezu masselosen Elektronen bewegen (Kern-Hülle-Modell).

  Auch dieses Modell hatte jedoch seine Grenzen. Das Schalenmodell von Bohr bot hier eine Erweiterung, indem es zeigte, dass sich Elektronen nur auf bestimmten, festgelegten Bahnen (Schalen) um den Kern bewegen, die jeweils einem bestimmten Energieniveau entsprechen. Elektronen können zwischen diesen Bahnen wechseln, wobei sie Energie aufnehmen oder abgeben.

  Mit dem später entwickelten Orbitalmodell wurden Elektronen schließlich nicht mehr nur als Teilchen, sondern auch als Wellen betrachtet. Ihr Aufenthaltsort lässt sich nur als Wahrscheinlichkeitsverteilung beschreiben, wobei sie bestimmte Schwingungszustände einnehmen können.