Die Entdeckung des Atomkerns

Es hat zwölf Kilometer Durchmesser, aber die doppelte Sonnenmasse!? Was für ein Objekt im All ist denn so dicht? Das ist ja, als hätte What the heck. Kannst du dem Wissenschaftsoffizier des Forschungsraumschiff „Rutherford“ helfen? Gibt es etwas, was so viel Masse auf so kleinem Raum vereinigt? „Ja. Und das gar nicht so selten. Ein Beispiel dafür ist: der Atomkern“ „In diesem Video erfährst du, wie der Atomkern entdeckt wurde, woraus er besteht und welche Eigenschaften er hat.“ „Und du lernst zahlreiche Fachbegriffe kennen. Keine Sorge, wir machen ganz langsam.“ „Die Entdeckung des Atomkerns ist ein tolles Beispiel für Teamarbeit. Und dafür, dass man in der Wissenschaft Geduld braucht. Hans Geiger, Ernest Marsden und Ernest Rutherford experimentieren zwischen 1908 und 1913 mit Alphateilchen.“ „Die Entdeckung des Atomkerns ist ein tolles Beispiel für Teamarbeit und Geduld. Hans Geiger,“ Ernest Marsden, und Ernest Rutherford, experimentierten in Manchester zwischen 1908 und 1913 mit Alphateilchen. Diese hatte Rutherford erforscht und 1898 als Bestandteil der radioaktiven Strahlung identifiziert. Er wusste, dass sie positiv geladen sind, und schwerer als die damals schon entdeckten negativen Elektronen. Seit 1903 wusste man, dass Elektronen, die auf eine dünne Metallfolie geschossen wurden, diese nahezu ungehindert passieren. Was würden die viel massiveren Alphateilchen tun? Bei ihren Experimenten verwendeten die Forscher unter anderem diesen Aufbau mit einer Goldfolie, die nur zirka eintausend Atomschichten dick war, das sind etwa null komma null null null vier Millimeter. Auf dem kreisförmigen Schirm erschienen überall dort Blitze, wo ein Alphateilchen nach dem Durchgang durch die Goldfolie auftraf. Viele Stunden saßen Geiger und Marsden, Rutherfords Assistenten, im abgedunkelten Labor und zählten die Blitze. Die meisten Alphateilchen flogen geradeaus durch die Goldfolie durch. Einige wurden leicht abgelenkt. Sehr wenige wurden stark abgelenkt, manche sogar fast zurückgeworfen. Was bedeutete das? Geiger und Marsden zählten, Rutherford rechnete. leer. Daher fliegen die meisten Alphateilchen einfach durch die Atome durch. Aber was war den Alphateilchen passiert, die zurückgeworfen wurden? „Sie mussten auf ein Hindernis getroffen sein, das unglaublich schwer war, so dass sie davon abprallten; aber gleichzeitig so winzig, dass nur sehr wenige es trafen.

Aus den Ablenkungswinkeln konnte Rutherford schließen, dass das Hindernis positiv geladen war.“ „Das Atom besteht zum allergrößten Teil aus nichts und einem kleinen, schweren und positiv geladenen Ding in der Mitte: dem Atomkern. Der leere Raum um den Atomkern herum heißt Atomhülle. In der Atomhülle bewegen sich die Elektronen.“ „Der Durchmesser des Atomkerns beträgt zwischen Zehn hoch minus fünfzehn und Zehn hoch minus vierzehn Metern. Der Durchmesser der Hülle beträgt etwa Zehn hoch minus Zehn Meter.“ Stell dir ein Fußballfeld vor. Wenn das die Atomhülle darstellt, dann wäre der Atomkern nur so groß wie ein Stecknadelkopf In ihm befindet sich aber fast die gesamte Masse des Atoms. „Der Atomkern besteht aus den positiv geladenen Protonen und den neutralen Neutronen. Die Existenz des Neutrons wurde aber erst 1932 nachgewiesen.“ Der Oberbegriff für die beiden Kernteilchen ist NUcleus. „Die Masse eines Protons beträgt 1,6726 mal Zehn hoch minus siebenundzwanzig Kilogramm. Die Masse eines Neutrons beträgt 1,6749 mal Zehn hoch minus siebenundzwanzig Kilogramm. Die Masse eines Elektrons hingegen beträgt nur 9,109 mal Zehn hoch minus einunddreißig Kilogramm.“ Proton und Neutron haben also ungefähr die gleiche Masse, sind aber etwa Eintausendachthundertvierzig mal schwerer als das Elektron. Wenn das Elektron massemäßig ein normales Smartphone wäre, wäre das Proton ein Gorillamännchen. Oder vier Kaiserpinguine. „Wenn du magst, kannst du dir auch einen Roborowsky-Zwerghamster im Vergleich zu einem Bobtail vorstellen. Unter Berücksichtigung der Größenverhältnisse der Atomhülle zum Atomkern wäre der Zwerghamster allerdings zirka zwanzig Kilometer vom Bobtail entfernt.“ Bei einem neutralen Atom entspricht die Zahl der Elektronen in der Hülle der Protonenzahl Z. Man nennt diese auch Ordnungszahl oder Kernladungszahl. Aluminium hat die Ordnungszahl dreizehn, Blei, auf Latein Plumbum, daher PeBe, zweiundachtzig. Nach dieser Zahl sind die Elemente im Periodensystem von links oben nach rechts unten geordnet. „Die Anzahl der Neutronen wird mit N bezeichnet.

Da sich die Masse des Atoms ja vor allem aus der Masse der beteiligten Protonen und Neutronen zusammensetzt, heißt die Summe aus Protonen- und Neutronenzahl Massenzahl A.“ Warum jetzt aber die Massenzahl im Periodensystem oft als krumme Zahl angegeben ist, das sehen wir uns in einem anderen Video genauer an. Wir fassen zusammen: Bei den Streuversuchen von Geiger, Marsden und Rutherford wurde der Atomkern entdeckt. Der positiv geladene Atomkern nimmt nur einen winzigen Raumbereich des Atoms ein, beinhaltet aber fast seine gesamte Masse. In der beinahe leeren Atomhülle bewegen sich die Elektronen. „Und was ist jetzt mit dem unbekannten Objekt, auf das die Rutherford zufliegt? Das ist ein Neutronenstern.“ „Der besteht im Wesentlichen tatsächlich aus Neutronen. Und zwar nur aus Neutronen.“