Chemie Grundlagen

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Physikalische Chemie

Rutherford Streuversuch

Hier lernst du was es mit dem Rutherford Streuversuch auf sich hat und wie man ihn interpretiert. Zudem lernst du die Stärken und Schwächen des Rutherfordschen Atommodells kennen.

Schau am besten noch unser Video  hierzu an. Darin haben wir für dich bereits die wichtigsten Punkte audiovisuell aufbereitet.

Inhaltsübersicht

Rutherford Streuversuch einfach erklärt

Beim Rutherford Streuversuch wird ein Alphastrahl auf eine Goldfolie gelenkt und die Reflexion der Alphateilchen beobachtet. Dabei stellst du fest, dass die meisten Alphateilchen die Folie durchdringen und nur wenige reflektiert werden.

Anfang des 19. Jahrhunderts wollte der neuseeländische Physiker Ernest Rutherford, zusammen mit seinen beiden Mitarbeitern Hans Geiger und Ernest Marsden, das von Joseph John Thomson erdachte Atommodell experimentell prüfen. Demnach war die Theorie, dass ein Atom aus einer homogenen positiven Masse besteht, in welcher die Elektronen gleichmäßig verteilt seien. Ein Stoff hätte dann aus dicht zusammengepackten „Atomkugeln“ bestanden.

Die drei Physiker testeten die Theorie mit dem Rutherford Streuversuch. Die Beobachtungen standen im Gegensatz zur Theorie von Thomson, die vorhersagte, dass die meisten Alphateilchen an der Folie reflektiert und kaum Durchdringung stattfinden würde.

Das diente als Motivation die Theorie des Rutherfordschen Atommodells zu formulieren. Demnach ist die Masse des Atoms größtenteils in einem kleinen positiven Kern konzentriert, welcher von den Elektronen umkreist wird. Daher ist ein Atom größtenteils „leer“.

Rutherford Streuversuch Aufbau und Beobachtung

Die drei Physiker überprüften Thomsons Theorie, indem sie ein Experiment bauten, bei welchem sie das Reflexionsverhalten von Alphateilchen an einer Goldfolie beobachteten – den Rutherford Streuversuch. Dazu befüllten sie einen aus Blei bestehenden Behälter mit radioaktiven Atomen. Dieser hat eine kleine Öffnung auf einer Seite, durch welche die Strahlung entweichen kann. Da bei den meisten Zerfällen nicht nur Alpha Strahlung, sondern auch Beta Strahlung und Gamma Strahlung entsteht, führst du den ausgelenkten Strahl durch ein elektrisches Feld. Die negativen Betateilchen fliegen dann zur positiven Kathode während die positiven Alphateilchen die negative Anode ansteuern. Die ungeladenen Gammaquanten durchqueren das Feld unbeeinflusst.

Rutherford Streuversuch - Ablenkung der Strahlung
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Rutherford Streuversuch – Ablenkung der Strahlung

Auf diese Weise filterten sie den Strahl nach der Alpha Strahlung und richteten sie gezielt auf die Goldfolie aus. Die ungefähr 0,5 \mum (Mikro-Meter) dicke Goldfolie ist von einem Leuchtschirm umgeben. Alphateilchen, die auf diesem Schirm einschlagen, hinterlassen sichtbare Punkte und erzeugen einen kleinen Lichtblitz. Der Schirm selbst, hat auch eine kleine Öffnung, um den Strahl zur Goldfolie durchzulassen.

Rutherford und seine Kollegen erwarteten, dass die meisten Alphateilchen an der Goldfolie reflektiert würden. Gleichzeitig sollten nur wenige bis gar keine Alphateilchen den Leuchtschirm auf der anderen Seite erreichen.
Entgegen dieser Erwartung konnte jedoch beobachtet werden, dass die meisten Alphateilchen die Folie durchdrangen und nur etwa jedes zehntausendste Teilchen abgelenkt wurde. Dabei konnte beobachtet werden, dass die Ablenkung seltener wurde, je größre der Ablenkwinkel war. Daher wurden auch nur wenige Alphateilchen genau entgegen der Einstrahlrichtung zurück reflektiert.

Rutherford Streuversuch - Aufbau
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Rutherford Streuversuch – Aufbau

Zu den verschiedenen Strahlungsarten haben wir dir bereits die entsprechenden Videos vorbereitet. Schau am besten noch die Videos zur Alpha Strahlung , Beta Strahlung  und Gamma Strahlung  an.

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Interpretation des Rutherford Streuversuchs

Die Beobachtungen am Rutherford Streuversuch widerlegten das thomsonsche Atommodell. Daher war eine neue Interpretation gefragt.
Rutherford konnte den eigentlichen Aufbau des Atoms anhand der Beobachtungen und der Winkelverteilungen der reflektierten Teilchen berechnen. Damit war es ihm möglich zu bestimmen, dass sich die Masse des Atoms in einem kleinen positiven Kern konzentriert. Die Größe des Atoms wird durch dessen Hülle vorgegeben. Diese Hülle besteht zum größten Teil jedoch aus freiem Raum, befüllt mit kleinen und leichten Elektronen. Die negative Ladung der Elektronen schirmt den positiven Atomkern ab. Somit wirkt das Atom nach außen elektrisch neutral. Das ist das Rutherfordsche Atommodell.

Dieser atomare Aufbau erklärt die Beobachtungen vollständig. Da die Atome zum größten Teil aus Freiraum bestehen, durchqueren die meisten Alphateilchen ungehindert die Goldfolie. Kommen dabei die positiven Alphateilchen in die Nähe der positiven Kerne kommt es zur Ablenkung. Je näher die Alphateilchen dabei einem Atomkern kommen, desto größer wird auch der Streuwinkel. Entsprechend gering ist aber auch die Wahrscheinlichkeit, dass ein Strahlenteilchen direkt auf einen Kern trifft. In diesen seltenen Fällen ist dann aber eine 180° Reflexion zu beobachten.

%Schematische Darstellung der Streuung am Atom

Rutherford Streuformel

Rutherford hat die nach ihm benannte Formel aus seinen Beobachtungen am Experiment hergeleitet. Sie gibt den differentiellen Wirkungsquerschnitt in Abhängigkeit des Streuwinkels \theta (Theta) an.

\frac{d \sigma}{d \Omega} = \left( \frac{1}{4 \pi \epsilon_0} \frac{Z_1 Z_2 e^2}{4 E_0} \right)^2 \frac{1}{\mathrm{sin}^4 \left(\frac{\theta}{2} \right)}

Die Formelzeichen haben die folgenden Bedeutungen:

\epsilon_0: Dielektrizitätskonstante mit \epsilon_0 = 8,854 \cdot 10^{-12} \frac{\mathrm{C}}{\mathrm{Vm}}
Z_1 \cdot e: Ladung des gestreuten Teilchens

Z_2 \cdot e: Ladung des Atomkerns
e: Die Elementarladung mit e = 1,602 \cdot 10^{-19} \mathrm{C}
E_0: Anfangsenergie des gestreuten Teilchens

Mit dieser Formel bestimmst du die Wahrscheinlichkeit mit der um den Winkel \theta gestreute Teilchen im Raumwinkel d \Omega =2 \cdot \pi \cdot \mathrm{sin} (\theta)d\theta auftreffen.

Rutherford Atommodell

Durch das Rutherfordsche Streuexperiment konnte das thomsonsche Atommodell widerlegt werden. Mithilfe der Streuformel konnte dann das Rutherfordsche Atommodell beschrieben werden.

Demnach kann die große elektrische Feldstärke, die notwendig ist, um Alphateilchen abzulenken, nur erreicht werden, wenn die gesamte positive Ladung in einem kleinen Punkt vereinigt ist. Das entspricht dem dir bekannten Atomkern. In diesem ist fast die gesamte Masse und die positive Ladung des Atoms vereint. Dieser Kern ist im Vergleich zum Atomradius ungefähr 3000 Mal kleiner. Das heißt, dass ein Atom größtenteils aus leerem Raum besteht.
Nur leichte und kleine Elektronen befüllen diesen leeren Raum um den Atomkern. Deren Zahl entspricht der Kernladungszahl des Atoms. Damit schirmen die Elektronen der Atomhülle die positive Ladung des Kerns ab und lassen das Atom nach außen elektrisch neutral erscheinen. Rutherford ging davon aus, dass die Elektronen den Kern umkreisen, ähnlich wie Planeten die Sonne.

%Bild des Rutherfordschen Atommodells und des Thomsonschen Modells zum Vergleich

Lücken des Rutherford Atommodell

Obwohl mit dem Rutherfordschen Atommodell einiges erklärt werden kann, stößt es doch schnell an seine Grenzen. So ist es nicht möglich Emissionen und Absorptionen von Energiequanten zu beschreiben. Das ist aber nötig, um verstehen zu können wie die Spektrallinien diverser Gase entstehen. Des Weiteren ist es auch nicht möglich mit dem Rutherfordschen Atommodell zu erklären, warum die Elektronen nicht in den Kern stürzen. Geladene Teilchen auf einer Kreisbahn, geben ständig Energie ab und sollten somit ein kontinuierliches Spektrum emittieren. Das ist aber nicht zu beobachten und aufgrund quantisierter Energieniveaus auch nicht möglich.
Daher wurde das Rutherfordsche Atommodell später durch das Bohrsche Atommodell und anschließend das Schalenmodell abgelöst.

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