3.1 Atommodelle – Rutherford und Bohr Im Jahr 1897 entdeckte der englische Physiker Joseph J. Thomson (1856–1940) ein negativ geladenes Teilchen mit kleiner Masse, das Elektron (118.2). Bekannt war, dass Atome elektrisch neutral sind und viel mehr Masse als die Elektronen besitzen. Dies führte Thomson zu einer ersten Vorstellung über den Atomaufbau: Die negativen Elektronen sollten wie die Rosinen in einem Kuchen in einer gleichmäßig positiv geladenen Kugel mit großer Masse eingebettet sein (118.3). Ebenfalls in England ließ Ernest Rutherford (1871–1937) diese Vorstellung experimentell überprüfen. α-Teilchen, das sind zweifach positiv geladene ionisierte Heliumatome, wurden auf eine dünne Goldfolie geschossen. Rutherford erwartete, dass die α-Teilchen dabei ohne größere Richtungsänderung die Folie durchdringen würden: Die α-Teilchen würden sich bei einer Kollision von den 8 000-fach leichteren Elektronen nicht von ihrer Bahn ablenken lassen, ebenso wenig könnte die über das ganze Goldatom gleichmäßig verteilte positive Ladung eine wesentliche Ablenkung verursachen. (118.3) Zu Rutherfords Überraschung wurden auch sehr große Ablenkungen gefunden: Etwa jedes 10 000ste α-Teilchen wurde um 90° oder mehr abgelenkt (118.4). Rutherford konnte diese Ergebnisse 1911 deuten. Er musste dabei annehmen, dass die gesamte positive Ladung des Atoms in einem kleinem Atomkern konzentriert ist, der fast die gesamte Masse des Atoms enthält. Bei einem Atomradius von etwa 10−10 m beträgt der Kernradius ca. 10–14 m. Entsprechend selten werden α-Teilchen dem Kern nahe kommen, dann aber stark abgelenkt werden. Aus der Zahl der gestreuten Teilchen konnte Rutherford auch die elektrische Ladung des Atomkerns bestimmen. Sie erwies sich als das Z-fache der Elementarladung (e = 1,6·10−19 C), wobei Z die Ordnungszahl des Elements im Periodensystem ist, in der Physik heißt sie Kernladungszahl. Rutherford’sches Atommodell Atome haben eine innere Struktur. Der Z-fach positiv geladene Atomkern enthält fast die gesamte Masse des Atoms. Der Atomkern ist von Z Elektronen umgeben. Die Kernladungszahl Z ist die Ordnungszahl im Periodensystem der Elemente. Der Atomdurchmesser ist etwa 10 000 mal größer als der Kerndurchmesser. Rutherford stellte sich Atome ähnlich wie Planetensysteme vor, nämlich als Atomkerne, um die Elektronen kreisen. Dies führte zum nächsten Problem: Mit diesem Atommodell kann man zwar das Ergebnis der Streuung der α-Teilchen erklären, nicht jedoch die Stabilität der Atome. Atome mit kreisenden Elektronen müssten als beschleunigte Ladungen wie kleine Sender dauernd Energie abstrahlen: Innerhalb von rund 10−8 s müssten die Elektronen durch den Energieverlust in den Kern stürzen. Tatsächlich können Atome aber nur durch Energiezufuhr zur Abstrahlung (Emission) von Licht angeregt werden. Was sagt uns das ausgestrahlte Licht über den Aufbau der Atome? 118.1 Leistungsstarke Laser ermöglichen eindrucksvolle Show-Effekte. Was haben Laser mit dem Atomaufbau zu tun? 118.2 Die Kathode emittiert negative Teilchen, die Elektronen. Sie treten durch die Membran, dann kann ihre Masse gemessen werden. Kathode Anode zur Luftpumpe Membran Aluminiumfolie 118.3 Das Thomson’sche „Rosinenkuchenmodell“ des Atoms: Die Elektronen sind wie Rosinen in einen „Teig positiver Ladung“ eingebettet. Sie lenken die viel schwereren α-Teilchen nur unwesentlich ab. Elektron -Teilchen Atom α 118.4 Bei der Streuung von α-Teilchen an einer Goldfolie beobachtete Rutherford zu seiner Überraschung auch Teilchen, die unter großen Winkeln gestreut wurden. Goldfolie -Teilchen α 118 Atomphysik 3 Aufbau von Atomen Hier erfährst du etwas über – die Farben leuchtender Gase, – die Struktur der Atome, – den Aufbau des Periodensystems, – die Funktion von Lasern. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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