Info- Kern-Hüllen-Modell von Rutherford

Info zum Ernest Rutherford

© George Grantham Bain Collection, Ernest Rutherford LOC.jpg, CC 0

Ernest Rutherford (1871 -1937) war ein neuseeländischer Physiker, der 1908 den Nobelpreis für Chemie erhielt. Rutherford gilt als einer der bedeutendsten Experimentalphysiker.

Am Ende des 19. Jahrhunderts interessierten sich viele Wissenschaftler für den Aufbau der Atome. Daltons Kugelmodell hatte viele Jahre gute Dienste geleistet, aber nun reichte es nicht mehr um neue Phänomene zu erklären. Als Curie und Becquerel die radioaktive Strahlung entdeckte, weckte dies Zweifel daran, ob Atome wirklich unteilbar seien. Man konnte sich die radioaktive Strahlung nämlich nur mit dem Zerfall von Atomen erklären. Der englische Physiker Ernest Rutherford wollte den Aufbau der Atome genauer erforschen. Dazu machte er den heute berühmten Streuversuch aus denen er sein Kern-Hüllen-Modell ableitete.

Aussagen von dem Kern-Hüllen-Modell von Rutherford

  • Jeder Stoff besteht aus kleinsten, unteilbaren Teilchen, den Atomen.
  • Alle Atome eines Elements haben das gleiche Volumen und die gleiche Masse.
    Die Atome unterschiedlicher Elemente unterscheiden sich in ihrem Volumen und in ihrer Masse.
     © Wikipedia, Demokrit, 28.01.2020, Angepasst von A.Spielhoff,  CC BY SA 3.0

  • Atome sind unzerstörbar. Sie können durch chemische Reaktionen weder vernichtet noch erzeugt werden.
  • Bei chemischen Reaktionen werden die Atome der Ausgangsstoffe nur neu angeordnet und in bestimmten Anzahlverhältnissen miteinander verbunden.
     © Wikipedia, John Dalton, 27.01.2020, CC BY SA 3.0

  • Atome bestehen aus einer amorphen positiven Masse in der elektrisch negativ geladene Elektronen eingelagert sind – wie Rosinen in einem Kuchen.
  • Die Atome sind nach außen hin neutral.
    Sie können jedoch Elektronen abgeben oder zusätzliche aufnehmen.

Aus diesem Grund gibt es folgende zwei Möglichkeiten:

  • Atome können Elektronen abgeben und werden dann zu elektrisch positiv geladenen Ionen (Kationen).
  • Atome können Elektronen aufnehmen und werden dann zu elektrisch negativ geladenen Ionen (Anionen).

  • Das Atom besteht aus einem Atomkern und einer Atomhülle.
  • Der Atomkern ist aus positiven Protonen aufgebaut, ist damit elektrisch positiv geladen und befindet sich im Zentrum des Atoms.
  • Der Durchmesser des Atomkerns beträgt nur ein Zehntausendstel des gesamten Atomdurchmessers.
  • In der Atomhülle befinden sich negativ geladene Elektronen, die um den Atomkern kreisen. (Durch ihre schnelle Bewegung verhindern die Elektronen, dass sie in den entgegengesetzt geladenen Atomkern stürzen.)
  • Die Atomhülle ist ein fast „leerer“ Raum, da die Elektronen noch viel kleiner sind als der Atomkern.
  • Atome enthalten eine gleiche Anzahl von positiv geladenen Protonen und negativ geladenen Elektronen, daher sind Atome nach außen hin elektrisch neutral.

Die Modellart

Das Kern-Hüllen-Modell ist etwas differenzierter als seine Vorgänger.

Darstellung eines Sauerstoff Atoms mit dem Kern-Hüllen-Modell

A.Spielhoff, 4 Kernhüllenmodell, CC BY 4.0

A.Spielhoff, 4-Kern-Hüllen-Modell,  CC BY SA 4.0

Genauigkeit des Modell am Beispiel eines Autos

L.Ebbersmeyer, Modell 3 (Rutherford), CC BY SA 4.0

L.Ebbersmeyer, Modell 3 (Kern-hüllen-Modell),  CC BY SA 4.0

Mit dem Kern-Hüllen-Modell lassen sich erklären:

  • die Entstehung von positiven und negativen Ionen.
  • der Aufenthaltsort der Protonen (Kern) und der Elektronen (Hülle) in einem Atom.

YouTube Video von "musstewissen Chemie" zu Ernest Rutherford

Das Goldfolien-Experiment (der Streuversuch)

Rutherford führte mit Hans Geiger und Ernest Marsden ab 1909 den sogenannten Streuversuch durchführte. Dabei wurde eine extrem dünne Goldfolie mit Alpha-Teilchen (Helium-Kerne) bestrahlt und beobachtet, wohin sich die Teilchen nach dem Auftreffen auf die Folie bewegen. 
Ein Helium-Kerne ist positiv geladen da es aus zwei positiven Protonen (p+) und zwei neutralen Neutronen (n) aufgebaut ist.

© Sundance Raphael, Streuversuch_Rutherford, beschriftet von A.Spielhoff, CC 0

Der Teilchenstrahl aus Alpha-Teilchen trifft bei dem Experiment die Goldfolie, welche nur ca. 1000 Atomschichten dick ist. Um die Goldfolie befindet sich ein Leuchtschirm. Trifft auf ihn ein Alpha-Teilchen, wird dies durch ein Leuchten sichtbar. Auf diese Weise war es möglich festzustellen, was mit den Aplha-Teilchen geschieht, nachdem sie auf die Folien trafen.

© Kurzon, Geiger-Marsden_experiment_expectation_and_result,
verändert von A.Spielhoff, CC BY SA 3.0

Beobachtungen

  • fast alle Teilchen passieren die Goldfolien ungehindert
  • nur wenige Teilchen bewegen sich nach dem Auftreffen auf die Goldfolie in eine andere Richtung
  • sehr wenige Teilchen werden an der Folie zurückgeworfen

Wie groß die Ablenkung der Alpha-Teilchen aufgrund der Goldfolie ist, wird durch den sogenannten Streuwinkel angegeben. Dies ist der Winkel zwischen der Ausbreitungsrichtung des Teilchens nach dem Passieren der Folie und der geraden Bahn, wenn die Folie nicht vorhanden wäre. Gehen die Teilchen ungehindert durch die Folie ist ihr Streuwinkel also 0°, werden die Teilchen gerade zurückgeworfen, ist ihr Streuwinkel 180°.

  • größere Streuwinkel treten seltener auf
  • je größer der Streuwinkel, desto unwahrscheinlicher ist sein Vorkommen

Folgerungen
Zu dem Zeitpunkt der ersten Streuversuche galt das Rosinenkuchenmodell von J.J. Thomson, nach welchem das Atom eine Kugel mit gleichmäßiger Massen- und Ladungsverteilung ist. Geht man von diesem Modell aus, können jedoch die Beobachtungen des Streuversuches nicht erklärt werden. Alle Alpha-Teilchen müssten eigentlich mit einem Streuwinkel von 0° die Goldfolie passiert. Doch dieses war nicht der Fall. Das thomsonsche Atommodell konnte daher nicht zutreffen.

Rutherford konnte schließlich aus der Verteilung der Streuwinkel berechnen, wie das Atom aufgebaut sein muss. Er kam zu dem Schluss, dass die Massen und die positive Ladung auf einen sehr kleinen Raum, den Atomkern, beschränkt sein müssen. Die eigentliche Größe des Atomes ist durch seine Hülle festgelegt. Diese ist jedoch fast leer, nur die extrem kleinen und leichten Elektronen befinden sich dort.
Die meisten Alpha-Teilchen fliegen also durch die fast leere Atomhülle und werden daher nicht abgelenkt. Sind sie jedoch nahe genug an einem Kern, werden sie abgestoßen, da sowohl Goldkern als auch die Alpha-Teilchen positiv geladen sind.
Je näher sie an einem Kern vorbei fliegen, desto stärker werden sie ablenkt, d.h. desto größer ist ihr Streuwinkel. Die Wahrscheinlichkeit, dasss ein Alpha-Teilchen zentral auf einen Goldkern trifft, ist aufgrund der kleinen Größe der Teilchen und der Kerne extrem gering. Dennoch kann dies geschehen, dann wird das Alpha-Teilchen zurückgeworfen.
Rutherfords Modell konnte seine Beobachtungen des Streuversuches so vollständig erklären. Somit wurde das thomsonsche Atommodell von dem Rutherfords abgelöst. Auch wenn Rutherfords Atommodell ebenso von einem neuen Atommodell abgelöst wurde, ist seither die Struktur des Atomes, dass es aus Kern und Hülle besteht, gleich geblieben.
© Text von serlo.org, Rutherfordscher Streuversuch, Leicht angepasst von A.Spielhoff, CC BY-SA-4.0

Die Größe vom Atomkern
Genauere Messungen ergaben, dass der Atomkern mit einem Durchmesser von 10-14 m (0,00000000000001 m) 10.000 mal kleiner ist als das gesamte Atom, dessen Durchmesser 10-10 m (0,0000000001 m) beträgt.
Damit du es dir das Größenverhältnis besser vorstellen kannst hier ein Beispiel:
Wenn ein Atom einen Durchmesser von 50 Meter hätte (ein halbes Fußballfeld), dann hätte der Atomkern den Durchmesser eines Kirschkerns mit ca 0,5 Zentimeter! (Ein Kirschkern auf einem halben Fußballfeld.) Die Elektronen wären dann so klein, dass man sie nicht sehen könnte. Außerdem wäre es fast unmöglich, die winzigen Elektronen in der 50 m großen Kugel zu finden. Das ist dann ein Atom mit einem Atomkern und einer Atomhülle mit Elektronen drin. Nur dass in Wirklichkeit ein Atom nicht 50 Meter groß ist.

In dem links dargestellten Bild von dem Atom müsste der Atomkern wenn er denn richtig gezeichnet wäre ca. 0,002 mm groß sein und die Elektronen noch erheblich keiner.  Ein gezeichnetes Atom würde dann aussehen wie das Bild auf der rechten Seite und wäre nicht mehr sehr anschaulich. Deshalb zeichnet man die Atome immer mit stark vergrößerten Atomkern und Elektronen.

Streuversuch von Rutherford - interaktiv veranschaulicht

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