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Das Kern-Hülle-Modell

Einleitung - Rosinenkuchenmodell - Kern-Hülle-Modell - Schalenmodell - Periodensystem

England - irgendwann um 1910. Ein Forscher namens RUTHERFORD fragt sich: "Ist das Rosinenkuchenmodell meines Physik-Lehrers THOMSON eigentlich richtig? Wie könnte man das beweisen?"

Wenn Atome so ähnlich aufgebaut sind, wie das Rosinenkuchenmodell vorhersagt, dann müssten kleinste Teilchen, wenn man sie mit hoher Geschwindigkeit auf eine Schicht solcher Atome schießt, zum größten Teil geradlinig hindurchfliegen. Denn die positive Grundmasse ist nach THOMSON relativ locker und leicht durchdringbar, während die Elektronen sehr klein sind und die hindurchfliegenden Teilchen so gut wie nicht beeinflussen dürften.

Also entsann RUTHERFORD seinen genialen Versuch. Er verwendete eine Goldfolie, die so dünn war, dass sie nur aus 1000 Atomschichten bestand. Gold ist übrigens das einzige Metall, das man so dünn auswalzen kann.

Jetzt brauchte RUTHERFORD nur noch irgendwelche kleinsten Teilchen, die er mit hoher Geschwindigkeit auf die Goldatome schießen konnte. Er entschied sich für die Alpha-Strahlen, die man gerade entdeckt hatte. Alpha-Strahlen bestehen aus positiv geladenen Heliumionen, und zudem ist alpha-Strahlung radioaktiv und hinterlässt schwarze Flecken auf einem photographischen Film und helle Flecken auf einem Leuchtschirm. Damit konnte man sie also sehr leicht nachweisen.

RUTHERFORD baute dann seine Versuchsapparatur zusammen:

Ein Schema des RUTHERFORDschen Streuversuchs. Quelle: Wikipedia

Der Rutherfordsche Streuversuch. Quelle: Wikipedia. Autor: Sundance Raphael. Modifiziert von: Fujnky. Lizenz: Public domain.
1: Radioaktives Radium, 2: Bleimantel zur Abschirmung, 3: Alpha-Teilchenstrahl, 4: Leuchtschirm bzw. Fotografieschirm 5: Goldfolie 6: Punkt, an dem die Strahlen auf die Folie treffen, 7: Teilchenstrahl trifft den Schirm, nur wenige Teilchen werden abgelenkt.

Links befindet sich ein hohler Bleiwürfel mit einem Stück Radium drin. Durch ein kleines Loch in einer Würfelwand konnte die Radioaktivität entweichen. Die Strahlung bestand aus alpha, beta- und gamma-Strahlen. RUTHERFORD konnte aber nur die alpha-Strahlung gebrauchen, also filterte er sie heraus. Wie er das machte? Ganz einfach, mit Hilfe eines elektrischen Feldes. Die alpha-Strahlung wurde vom Minuspol angezogen, die beta-Strahlung vom Pluspol, und die gamma-Strahlung gar nicht.

Dann positionierte er die Goldfolie so, dass sie der alpha-Strahlung ausgesetzt war. Hinter die Goldfolie und auch drumherum platzierte er einen photographischen Film, damit er später nachschauen konnte, wo denn die Strahlung überall einschlug.

Was erwartete RUTHERFORD nun von dem Versuch?

Wenn ein Atom so aufgebaut ist, wie von THOMSON postuliert, denn müsste der größte Teil der Strahlung glatt durchgehen:

Die alpha-Strahlen sollten ein Gold-Atom ungehindert durchdringen

Die alpha-Strahlen sollten ein Gold-Atom ungehindert durchdringen

Die winzigen Elektronen sollten für die alpha-Teilchen kein nennenswertes Hinderniss darstellen.

Der größte Teil der Alpha-Strahlung durchdrang wie erwartet die immerhin 1000 Schichten dicke Goldfolie. Direkt gegenüber dem Alpha-Strahler konnte RUTHERFORD die meisten Einschläge in den photographischen Film zählen. Links und rechts daneben auch einige wenige.

Ein paar wenige Alpha-Teilchen wurden aber abgelenkt, und ein noch kleinerer Teil wurde sogar direkt reflektiert. Und damit hat RUTHERFORD nun gar nicht gerechnet. Sein berühmter Ausspruch soll hier zitiert werden: "Es war fast genau so unglaublich, als ob Sie eine 15-Zoll-Granate gegen ein Stück Seidenpapier abfeuern und sie kommt zurück und trifft Sie".

Das heißt, irgendwo musste etwas in dem Atom sein, was in der Lage ist, positive Teilchen abzulenken oder sogar zu reflektieren. Und dieses "irgendetwas" musste ziemlich massiv sein, denn sonst hätte es die relativ schweren Alpha-Teilchen gar nicht ablenken können. Andererseits musste dieses "irgendetwas" auch ziemlich klein sein, denn sonst würden die meisten Alpha-Strahlen nicht geradlinig durch die Atome fliegen.

Nach RUTHERFORDs Vorstellungen befand sich die gesamte positive Ladung des Atoms in einem extrem winzigen aber recht schweren Atomkern konzentriert. Die negative Ladung - in Form von Elektronen - schwirrte dagegen in der Atomhülle herum. Daher sprach man auch vom Kern-Hülle-Modell.

Völlig unerwartet werden einige alpha-Teilchen reflektiert.

Genauere Messungen ergaben dann, dass der Atomkern mit einem Durchmesser von 10-14 m 10.000 mal kleiner ist als das gesamte Atom, dessen Durchmesser 10-10 m beträgt.

Das muss man sich mal vorstellen! Wenn der Atomkern durch einen Kirschkern dargestellt würde (Durchmesser vielleicht 5 mm), so müsste das entsprechende Atom 50 Meter Durchmesser haben! Der größte Teil eines Atoms ist also leer, besteht aus nichts!

Die Versuchsergebnisse des RUTHERFORDschen Streuversuchs (wie der Versuch jetzt auch genannt wird) lassen sich so ganz einfach erklären. Die meisten alpha-Teilchen flogen einfach durch das große Atom durch, ohne dem winzigen Atomkern auch nur nahe zu kommen. Einige wenige alpha-Teilchen kamen doch in die Nähe des Atomkerns und wurden durch die positive Ladung mehr oder weniger stark abgelenkt. Und nur ein paar alpha-Teilchen trafen genau auf den Atomkern und prallten dort wegen der hohen Masse des Kerns ab.

Weiter mit dem Schalenmodell.