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Rutherford und der Aufbau der Atome

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Team Realfilm
Rutherford und der Aufbau der Atome
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Grundlagen zum Thema Rutherford und der Aufbau der Atome

Inhalt

Rutherford – Atommodell

Die moderne Physik und Chemie begann mit der Erkenntnis, dass es überhaupt Atome gibt. Auch wenn der Begriff Atom heute in unserer Alltagssprache fast allgegenwärtig ist, wissen die wenigsten, was ein Atom ist oder wie ein Atom aufgebaut ist. Der berühmte Wissenschaftler Ernest Rutherford hat mit seiner Forschung wesentlich zur Beantwortung dieser Fragen beigetragen. In der folgenden Tabelle sind die Lebensdaten und die bedeutendsten Entdeckungen Rutherfords zusammengefasst:

Jahr Ereignis
30.08.1871 Geburt in Brightwater (Neuseeland)
1897 Entdeckung der radioaktiven α-, β- und γ-Strahlung
1903 Aufstellung einer Theorie zum radioaktiven Zerfall
1908 Nobelpreis für Chemie
1911 rutherfordscher Streuversuch
Rutherford-Bohr-Atommodell
1919 erste künstliche Kernreaktion durch Beschuss von Stickstoffkernen mit $\alpha$-Teilchen
19.10.1937 Tod in Cambridge

Welches Modell hat Rutherford entwickelt? Was sagt das Atommodell von Rutherford aus? Und wie stellt sich Rutherford ein Atom vor? Die Antworten auf diese Fragen erfährst du in diesem Text.

Streuversuch und Atommodell von Rutherford

Rutherford wollte mit dem sogenannten Streuversuch herausfinden, wie Atome aufgebaut sind. Aus den Ergebnissen entwickelte er das Kern-Hülle-Modell.

Rutherford Streuversuch – Aufbau und Beobachtung

Rutherford spannte eine hauchdünne Goldfolie auf und beschoss sie mit sogenannten $\alpha$-Teilchen, das sind radioaktive Strahlen, die aus zwei Protonen und zwei Neutronen bestehen. Die meisten $\alpha$-Teilchen wanderten ungehindert durch die Goldfolie. Nur wenige wurden seitlich abgelenkt oder zur Strahlenquelle zurückgeworfen. Detektiert wurden die Teilchen auf einem um die Goldfolie verlaufenden Leuchtschirm. Goldfolie hat Rutherford verwendet, weil dieses Edelmetall sehr dünn ausgewalzt werden kann und Goldatome eine große Masse haben. Also optimale Eigenschaften für die Fragestellung, die Rutherford zur Durchführung des Streuversuchs veranlasst hat.

Der detaillierte Aufbau des Streuversuchs und das rutherfordsche Atommodell sind in folgender Abbildung dargestellt:

Rutherford Atommodell: Beschreibung, Versuch und Aussagen des Rutherford Atommodell

Interpretation des Streuversuchs von Rutherford

Was hat Rutherford mit seinem Versuch bewiesen? Aus den Schlussfolgerungen der Ergebnisse des Streuversuchs entwickelte Rutherford das rutherfordsche Atommodell. Demnach ist ein Atom kugelförmig aufgebaut. In der Mitte des Atoms befindet sich der Atomkern. Der Atomkern ist sehr klein, enthält jedoch fast die gesamte Masse des Atoms. Er ist positiv geladen. Heute wissen wir, dass sich der Kern aus positiv geladenen Protonen und neutralen Neutronen zusammensetzt.

Wenn die $\alpha$-Teilchen im Streuversuch auf die Kerne treffen, werden sie abgelenkt oder reflektiert. Umgeben wird der Atomkern von der Atomhülle. In dieser befinden sich, in großem Abstand zum Kern, die nahezu masselosen, negativ geladenen Elektronen. Die Hülle besteht also zum großen Teil aus leerem Raum und kann im Streuversuch von den $\alpha$-Teilchen ungehindert passiert werden. Das sind die Kernaussagen des von Rutherford entwickelten Atommodells, welches auch unter dem Namen Kern-Hülle-Modell bekannt ist.

Damit konnte er das sogenannte Rosinenkuchenmodell, auch bekannt als Thomsons Atommodell, widerlegen. Dieses bis dahin gültige Atommodell besagt, dass Atome aus einer positiv geladenen Masse bestehen, in der negativ geladene Elektronen wie Rosinen im Kuchen eingebettet sind.

Grenzen des Atommodells von Rutherford

Generell hat dieses Atommodell auch heute noch Gültigkeit. Allerdings weist das Atommodell von Rutherford auch Probleme, Nachteile und Lücken auf. Er ging davon aus, dass die Elektronen um den Kern kreisen wie Planeten um die Sonne. Jede Bewegung erfordert Energie und so müssten die Elektronen ständig Energie abstrahlen. Dabei würden sie langsamer werden und irgendwann die Kreisbahn verlassen – sie würden in den Atomkern fallen. Diese Annahme ist eine Schwäche des rutherfordschen Atommodells, denn das passiert nicht. Eine Erklärung dafür lieferte der Physiker Niels Bohr, der das Atommodell nach Rutherford weiterentwickelte. Bohr entwickelte die Theorie, dass sich die Elektronen nur auf bestimmten Bahnen aufhalten können, die einer gewissen Energie entsprechen. Die Energiemengen in Portionen bestimmter Größe werden Quanten genannt. Das war die Geburtsstunde der Quantenphysik. Zwischen diesen beschriebenen Bahnen sind verbotene Bereiche. Außerdem stellte Bohr fest, dass die Elektronen keine Energie abstrahlen.

Rutherfordsches Atommodell – Zusammenfassung

Im Folgenden sind die zentralen Erkenntnisse von Rutherford bezüglich des Aufbaus von Atomen zusammengefasst:
Durch den Streuversuch konnte folgende Frage beantwortet und das Atommodell nach Rutherford entwickelt werden: Welche Bestandteile hat jedes Atom? Im Mittelpunkt des Atoms befindet sich der Atomkern. Fast die gesamte Masse ist im Atomkern vereint. Außerhalb des Atomkerns befinden sich die Elektronen, welche den Atomkern umkreisen. Die Elektronen machen den Hauptanteil des Volumens eines Atoms aus.

In diesem Video wird der Streuversuch von Rutherford und sein Atommodell einfach erklärt. Du erfährst, was Rutherford entdeckt hat und wie ein Atom nach Rutherford aufgebaut ist. Nach dem Betrachten des Videos hast du die Möglichkeit, Übungen und Arbeitsblätter zum Thema Streuversuch und Atommodell zu lösen. Viel Spaß!

Transkript Rutherford und der Aufbau der Atome

Der Wissenschaftler Ernest Rutherford wurde in Neuseeland geboren. Seine Karriere begann jedoch in England mit einem Stipendium an der Universität Cambridge. Hier legte er die Grundlagen für eine der größten naturwissenschaftlichen Entdeckungen des 20. Jahrhunderts. Rutherford war ein ganz besonderer Mensch. Man erkennt bei bestimmten Wissenschaftlern, dass sie anders sind als alle anderen. Und er war so ein Mensch. Sehr schnell wurde Rutherford zu einem renommierten Wissenschaftler und erhielt den Chemie-Nobelpreis für seine Arbeiten über den radioaktiven Zerfall von Elementen und die radioaktive Strahlung. Aber am bekanntesten ist Rutherford für seine Versuche zur Aufdeckung der Struktur des Atoms. Die atomare Struktur der Materie war seit etwa 1850 bekannt. Aber die Struktur des Atoms selbst blieb lange verborgen. Im Jahr 1908 gelang Rutherford an der Universität Manchester mit seinem berühmten Streuversuch die Lösung dieses Rätsels. In seinem Experiment beschoss er eine dünne Goldfolie mit Alpha-Teilchen und registrierte die Intensität der gestreuten Strahlen. Die meisten Alpha-Teilchen passierten die Folie ungehindert. Dies zeigte, dass die Goldatome weitgehend leerer Raum sind. Aber ein kleiner Anteil der Alpha-Teilchen wurde zur Quelle zurückgeworfen. Daraus folgerte Rutherford über die Struktur des Atoms: Die Masse des Atoms ist in einem dichten, positiven Kern konzentriert, der einige Alpha-Teilchen reflektiert. Um diesen Kern bewegt sich eine Wolke leichter negativer Elektronen. Diese Theorie ist im Kern bis heute gültig. Seine Entdeckung veränderte das wissenschaftliche Weltbild und begründete eine neue Disziplin – die Kernphysik. Diese führte in der Folge zu großen Zerstörungen, eröffnet aber auch große Chancen für die Zukunft. Rutherford forschte bis an sein Lebensende und starb im Jahr 1937 in Cambridge. Seine Entdeckungen rund um das Atom machen ihn bis heute zu einem unserer bedeutendsten Wissenschaftler, der von Albert Einstein einmal als „zweiter Newton“ bezeichnet wurde.

7 Kommentare

7 Kommentare
  1. Sehr schön erklärt

    Von Paula, vor 8 Monaten
  2. schön

    Von Jan, vor 11 Monaten
  3. Etwas kurz aber gut

    Von Florian, vor mehr als einem Jahr
  4. danke für das gute video

    Von Melanie Obach, vor fast 2 Jahren
  5. Gutes Video wallha sogar

    Von Ricky1012, vor mehr als 3 Jahren
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Rutherford und der Aufbau der Atome Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Rutherford und der Aufbau der Atome kannst du es wiederholen und üben.
  • Nenne wichtige Lebensereignisse von Ernest Rutherford.

    Tipps

    1903 hat Thomson ein Atommodell hervorgebracht, dass Atome wie Rosinenkuchen beschrieb.

    Lösung

    Ernest Rutherford wurde am 30.08.1871 in Neuseeland geboren. Er bekam ein begehrtes Stipendium für die Universität in Cambrigde. Dort forschte er mit radioaktiven Elementen.

    Er erhielt 1908 den Nobelpreis für Chemie für seine Arbeit zur radioaktiven Strahlung.

    1911 widerlegte er mit seinem berühmten Streuversuch das Atommodell von Thomson.

  • Protokolliere den Streuversuch von Rutherford.

    Tipps

    Hier ist ein Atom schematisch mit rotem Atomkern und blauen Elektronen dargestellt. Die Pfeile stehen für die Alphastrahlung.

    Dies ist eine von vielen Abbildungen zum Rutherford'schen Atommodell.

    Lösung

    Beobachtung
    Während des Versuches ist zunächst nichts zu sehen. Bei der Sichtung des Fotopapierstreifens wird eine Häufung von Verfärbungen in gerader Linie vom Alphastrahler hinter der Goldfolie deutlich. Doch auch einige Verfärbungen in unterschiedlichen Winkeln hinter und vor der Goldfolie werden erkennbar.

    Erklärung
    Die Strahlenquelle erzeugt durch einen radioaktiven Zerfall Alphastrahlung. Diese besteht aus positiv geladenen Heliumkernen.
    Die meisten Heliumkerne passieren die Goldatome und bilden einen dichten Fleck in gerader Linie auf dem Fotopapier, direkt hinter der Goldfolie. Daraus lässt sich schließen, dass ein Atom größtenteils aus leerem Raum besteht.
    Einige Heliumkerne geraten in die Nähe der Atomkerne der Goldatome und werden daher von deren positiver Ladung abgelenkt. Vereinzelt treffen Heliumkerne direkt auf einen Atomkern eines Goldatoms und werden von diesem reflektiert. Im Zentrum eines Atoms befindet sich also ein sehr dichter, positiv geladener Kern.

  • Vergleiche die Atommodelle von Thomson und Rutherford miteinander.

    Tipps

    Das Rutherford'sche Atommodell ist das Ergebnis der Schlussfolgerungen aus dem Streuversuch.

    Ein Begriff ist in keiner Lücke richtig und bleibt übrig.

    Lösung

    Das Thomson'sche Atommodell wird auch „Rosinenkuchen“-Modell genannt. Nach diesem wird ein Atom aus einer großen positiv geladenen Masse gebildet. In dieser verteilen sich die negativ geladenen Elektronen wie Rosinen im Rosinenkuchen.

    Das Rutherford'sche Atommodell wird auch Kern-Hülle-Modell genannt. Nach diesem konzentriert sich fast die komplette Masse des Atoms in einem sehr kleinen und positiv geladenen Atomkern. Die massearmen und negativ geladenen Elektronen bewegen sich in einem sehr großen Raum um ihn herum.

  • Werte die Ergebnisse des Streuversuchs unter Bezugnahme der Atommodelle von Thomson und Rutherford aus.

    Tipps

    Hier siehst du, wie ein Alphateilchen (Heliumkern) von einem radioaktiven Atomkern ausgestrahlt wird.

    Lösung

    Hinweis zur Arbeit mit wissenschaftlichen Texten
    Wenn man sich einen fachlichen Text erschließen möchte, sollte man diesen zunächst einmal durchlesen und dabei alle Fachbegriffe, die einem nicht sofort etwas sagen, markieren. Im Anschluss kann man dann recherchieren, was hinter diesen Begriffen steckt. Zumeist reicht schon die Definition der Begriffe aus, um den eigentlichen Text besser zu verstehen.

    Die schwierigen Begriffe dieses Textes waren:
    Thomson'sches Atommodell
    Ein Atommodell, nach dem Atome einen ausgedehnten, positiv geladenen Rumpf besitzen, in dem die Elektronen wie Rosinen eingebettet sind. Mit diesem Modell kann die Elektrostatik sehr anschaulich erklärt werden.

    Heliumkern
    Heliumkerne sind die Atomkerne von Helium. Sie bestehen aus zwei Protonen und zwei Neutronen und besitzen keine Elektronen. Heliumkerne entstehen beim $\alpha$-Zerfall und sind somit auch Bruchstücke eines größeren Atomkerns.

    Massearmer Raum
    In einem massearmen Raum befindet sich kaum Materie und somit eine geringe Dichte. Dieser liegt entweder im freien Weltraum oder aber in einem Atom vor. Im Atom ist die Elektronenhülle ein massearmer Raum.

    Positive Ladung mit hoher Dichte
    Ein Atomkern besitzt eine sehr hohe physikalische Dichte. Ein Heliumkern besitzt eine Dichte von mehr als 1 Billion $\frac{\text{kg}}{\text{m}^3}$. Ein komplettes Heliumatom mit Elektronenhülle besitzt dagegen nur eine Dichte von etwa 0,1785 $\frac{\text{kg}}{\text{m}^3}$, da die Hülle sehr voluminös ist.

    Rutherfordsches Atommodell
    Ein Atommodell nach dem Atome einen kleinen, dichten und positiv geladenen Atomkern und eine große, negativ geladene Elektronenhülle mit geringer Dichte besitzen.

  • Benenne die wissenschaftliche Leistung, für die Rutherford 1908 den Nobelpreis erhielt.

    Tipps

    1911 formulierte Rutherford sein Atommodell.

    Das Proton wurde erst 1919 von Rutherford als Teilchen eingeführt.

    Lösung

    Rutherford war bereits vor der Widerlegung des Atommodells von Thomson durch seinen berühmten Streuversuch im Jahre 1911 bekannt. Erst durch die neuen Erkenntnisse aus diesem Versuch konnte er ein neues Atommodell schaffen.

    1908 erhielt er den Nobelpreis für seine Forschung über die Chemie der radioaktiven Stoffe und den Zerfall von Elementen.

    1919 führte er, für die positiven Teilchen im Atomkern, den Namen Proton ein. 1920 postulierte er das Vorhandensein eines weiteren ungeladenen Teilchens im Kern, welches eine Elektronen-Protonen-Kombination darstellen sollte.

    Elektronen wurden bereits 1897 von Thomson beschrieben.

  • Berechne die Massen- und Volumenverhältnisse für ein Heliumatom.

    Tipps

    Das Volumen kann mit Hilfe des Atomradius $r_{Atom} \approx 50~pm$ berechnet werden.
    Für die Berechnung des Volumens des Atomkerns muss nur der Radius ausgetauscht werden.

    Lösung

    Mit seinem Streuversuch konnte Rutherford feststellen, dass sich im Zentrum eines Atoms ein unfassbar kompakter Kern befindet, welcher deutlich weniger als 1 % des Volumens eines Atoms ausmacht. Den größten Teil des Volumens eines Atoms macht die Elektronenhülle aus.

    Bei der Massenverteilung sieht es genau gegenteilig aus, hier macht die Elektronenhülle nur deutlich weniger als 1 % der Atommasse aus.

    Massenverteilung im Atom
    $m_\text{Proton} \approx 1,6726 \cdot 10^{-27}~\text{kg}$

    $m_\text{Neutron} \approx 1,6749 \cdot 10^{-27}~\text{kg}$

    $m_\text{Elektron} \approx 0,0009 \cdot 10^{-27}~\text{kg}$

    $\begin{align} m_\text{Heliumatom}&=2 \cdot (m_\text{Proton} + m_\text{Neutron}+ m_\text{Elektron}) \\ &= 2 \cdot (1,6726 + 1,6749 + 0,0009) \cdot 10^{-27}~\text{kg} \\ &=6,6968 \cdot 10^{-27}~\text{kg} \end{align}$

    $m_\text{Helium-Elektronenhülle}=2 \cdot m_\text{Elektron}= 2 \cdot 0,0009 \cdot 10^{-27}~\text{kg}=0,0018 \cdot 10^{-27}~\text{kg}$

    $\frac{m_\text{Helium-Elektronenhülle}}{m_\text{Heliumatom}}=\frac{0,0018 \cdot 10^{-27}~\text{kg}}{6,6968 \cdot 10^{-27}~\text{kg}} \approx 3 \cdot 10^{-4} \approx 3 \cdot 10^{-2}~\%$

    Die Elektronenhülle besitzt rund 0,03 % der Masse des Heliumatoms.

    $m_\text{Heliumkern}=m_\text{Heliumatom} - m_\text{Helium-Elektronenhülle}=6,6968 \cdot 10^{-27}~\text{kg} - 0,0018 \cdot 10^{-27}~\text{kg} = 6,695 \cdot 10^{-27}~\text{kg}$

    $\frac{m_\text{Heliumkern}}{m_\text{Heliumatom}}=\frac{6,695 \cdot 10^{-27}~\text{kg}}{6,6968 \cdot 10^{-27}~\text{kg}} \approx 0,9997 \approx 99,97~\%$

    Der Atomkern besitzt entsprechend rund 99,97 % der Masse des Heliumatoms.

    Kontrolle:
    $100~\% - 3 \cdot 10^{-2}~\% = 9997 \cdot 10^{-2}~\% = 99,97~\%$

    Volumenverteilung im Atom
    $V=\frac{4}{3}\pi\cdot r^3$

    $d_\text{Atom} \approx 100\,000\,\text{fm}=100\,\text{pm}=2\cdot r_\text{Atom}$

    $r_\text{Atom}=\frac{100}{2}\,\text{pm}=50\,\text{pm}$

    $d_\text{Atomkern} \approx 10\,\text{fm}=0,01\,\text{pm}=2\cdot r_\text{Atom}$

    $r_\text{Atomkern}=\frac{0,01}{2}\,\text{pm}=0,005\,\text{pm}$

    $V_\text{Atom}=\frac{4}{3}\pi\cdot r_\text{Atom}^3=\frac{4}{3}\pi\cdot (50\,\text{pm)}^3 \approx 523\,598,7756\,\text{pm}^3 \approx 5 \cdot 10^{5}\,\text{pm}^3$

    $V_\text{Atomkern}=\frac{4}{3}\pi\cdot r_\text{Atom}^3=\frac{4}{3}\pi\cdot (0,005\,\text{pm)}^3 \approx 5 \cdot 10^{-7}\,\text{pm}^3$

    $\frac{V_{Atomkern}}{V_{Atom}} = \frac{5 \cdot 10^{-7}~{pm}^3}{5 \cdot 10^{5}~{pm}^3} \approx 1 \cdot 10^{-12}~\% = 0,000000000001~\%$

    $V_{Elektronenhülle} = V_{Atom} - V_{Atomkern} = 100~\% - 1 \cdot 10^{-12}~\% = 99,999999999999~\%$

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