Rutherfords Streuversuch - Chemie

Diesen aiMOOC als Battle spielen: Deutsch, Klasse 9-10, G-Niveau

Einleitung

Der Rutherfordsche Streuversuch veränderte das Bild vom Atom grundlegend. Unter der Leitung von Ernest Rutherford untersuchten Hans Geiger und Ernest Marsden, wie sich schnelle Alpha-Teilchen beim Durchgang durch eine sehr dünne Metallfolie verhalten. Die Ergebnisse passten nicht zum damals verbreiteten thomsonschen Atommodell.

Du lernst in diesem aiMOOC den Versuchsaufbau, die Beobachtungen und die Deutung kennen. Im Mittelpunkt steht die Frage: Wie kann man etwas über den inneren Aufbau eines Atoms herausfinden, obwohl man Atome nicht direkt sehen kann?

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Lernziele

Nach der Bearbeitung kannst Du den Aufbau des Streuversuchs beschreiben, Beobachtung und Deutung unterscheiden und erklären, warum Rutherford einen kleinen, positiv geladenen Atomkern annahm. Außerdem kannst Du das Kern-Hülle-Modell mit dem thomsonschen Atommodell vergleichen und die Bedeutung des Experiments für die Chemie erläutern.

Vorwissen: Atommodelle und Alpha-Teilchen

Das thomsonsche Atommodell

Nach dem Modell von Joseph John Thomson war die positive Ladung gleichmäßig im Atom verteilt. Die negativ geladenen Elektronen waren darin eingebettet. Dieses Modell wird häufig als Rosinenkuchenmodell bezeichnet.

Wenn die positive Ladung wirklich gleichmäßig verteilt wäre, müssten schnelle Alpha-Teilchen eine dünne Goldfolie fast geradlinig durchdringen. Starke Ablenkungen wären kaum zu erwarten.

Was sind Alpha-Teilchen?

Alpha-Teilchen sind Heliumkerne. Sie bestehen aus zwei Protonen und zwei Neutronen und tragen deshalb die Ladung $+2e$. Sie sind im Vergleich zu Elektronen schwer und bewegen sich bei radioaktiven Zerfällen mit hoher Geschwindigkeit.

Weil sowohl Alpha-Teilchen als auch Atomkerne positiv geladen sind, wirkt zwischen ihnen die elektrische Abstoßung. Je näher ein Alpha-Teilchen an einen Kern gelangt, desto stärker kann seine Bahn gekrümmt werden.

Der Versuchsaufbau

Eine radioaktive Quelle sendet Alpha-Teilchen aus. Ein Bleiblock schirmt die Strahlung weitgehend ab und lässt nur einen schmalen Teilchenstrahl austreten. Dieser Strahl trifft auf eine sehr dünne Goldfolie. Um die Folie befindet sich ein mit Zinksulfid beschichteter Leuchtschirm. Trifft ein Alpha-Teilchen auf den Schirm, entsteht ein kleiner Lichtblitz, der mit einem Mikroskop beobachtet werden kann.

Gold eignet sich besonders gut, weil es zu extrem dünnen Folien ausgewalzt werden kann. Außerdem besitzt Gold eine hohe Kernladung, sodass Ablenkungen gut messbar sind.

Wichtige Bauteile

1. Strahlungsquelle: liefert schnelle Alpha-Teilchen
2. Abschirmung: begrenzt die Strahlung und formt einen schmalen Strahl
3. Goldfolie: dient als sehr dünnes Streuziel
4. Leuchtschirm: macht einzelne Treffer als Lichtblitze sichtbar
5. Mikroskop: hilft beim Zählen der schwachen Lichtblitze

Eine historische Darstellung des Aufbaus zeigt, wie sorgfältig die Messung einzelner Treffer vorbereitet wurde.

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Durchführung

Der gebündelte Alpha-Strahl wird auf die Goldfolie gerichtet. Der Leuchtschirm wird schrittweise um die Folie bewegt. So lässt sich feststellen, in welchen Richtungen Alpha-Teilchen nach dem Durchgang auftreffen. Für jeden Winkel werden viele Lichtblitze gezählt, damit seltene starke Ablenkungen nicht übersehen werden.

Der Versuch erfordert eine abgeschirmte Apparatur und Fachpersonal. Radioaktive Quellen dürfen im Schulunterricht nur mit zugelassenen Demonstrationsgeräten und unter Beachtung des Strahlenschutzes verwendet werden.

Beobachtungen

1. Die allermeisten Alpha-Teilchen durchdringen die Goldfolie nahezu geradlinig.
2. Ein kleiner Anteil wird um geringe Winkel abgelenkt.
3. Sehr wenige Teilchen werden stark abgelenkt.
4. Einzelne Teilchen werden sogar in Richtung der Quelle zurückgestreut.

Die große Mehrzahl gerader Bahnen war zunächst nicht überraschend. Die seltenen großen Streuwinkel und Rückstreuungen widersprachen jedoch dem thomsonschen Atommodell.

Deutung der Ergebnisse

Warum fliegen die meisten Teilchen geradeaus?

Wenn fast alle Alpha-Teilchen die Folie ohne deutliche Ablenkung durchqueren, muss der größte Teil eines Atoms für sie nahezu leer sein. Die Elektronen sind zu leicht, um die schweren Alpha-Teilchen stark abzulenken.

Warum werden wenige Teilchen stark abgelenkt?

Eine starke Ablenkung entsteht, wenn ein positiv geladenes Alpha-Teilchen sehr nahe an einen ebenfalls positiv geladenen Bereich gelangt. Die elektrische Abstoßung wird dort besonders groß. Dieser positive Bereich muss sehr klein sein, weil starke Ablenkungen selten auftreten.

Warum werden einzelne Teilchen zurückgestreut?

Ein Alpha-Teilchen kann nahezu zurückgeworfen werden, wenn es fast frontal auf den kleinen, massereichen Atomkern zufliegt. Daraus folgt, dass fast die gesamte Atommasse und die gesamte positive Ladung in einem winzigen Zentrum konzentriert sind.

Das Kern-Hülle-Modell

Rutherford folgerte aus den Messungen:

1. Im Zentrum des Atoms liegt ein sehr kleiner, positiv geladener Atomkern.
2. Im Atomkern befindet sich fast die gesamte Masse des Atoms.
3. Die negativ geladenen Elektronen bilden die Atomhülle.
4. Der Raum zwischen Kern und Elektronen ist im Verhältnis zur Atomgröße sehr groß.
5. Ein Atom ist nach außen elektrisch neutral, wenn Kernladung und Elektronenladung einander ausgleichen.

Dieses Modell wird als Kern-Hülle-Modell bezeichnet. Es ersetzte das thomsonsche Atommodell und bereitete den Weg für das bohrsche Atommodell und spätere quantenmechanische Modelle.

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Beobachtung und Deutung unterscheiden

In Naturwissenschaften ist es wichtig, Messdaten nicht mit ihrer Erklärung zu verwechseln.

Beobachtung	Deutung
Die meisten Teilchen passieren die Folie fast geradlinig.	Atome bestehen überwiegend aus einem für Alpha-Teilchen nahezu leeren Raum.
Wenige Teilchen werden stark abgelenkt.	Die positive Ladung ist in einem sehr kleinen Bereich konzentriert.
Einzelne Teilchen werden zurückgestreut.	Im Zentrum befindet sich ein kleiner, massereicher Kern.

Bedeutung für die Chemie

Der Streuversuch lieferte die Grundlage für die moderne Vorstellung vom Aufbau der Atome. In der Chemie hilft das Kern-Hülle-Modell dabei, zwischen Atomkern und Elektronenhülle zu unterscheiden. Chemische Reaktionen betreffen vor allem die Elektronen der Hülle, während die Identität eines Elements durch die Protonenzahl im Kern bestimmt wird.

Das Experiment ist außerdem ein Beispiel für wissenschaftliches Arbeiten: Ein vorhandenes Modell macht eine Vorhersage, ein Versuch prüft diese Vorhersage und unerwartete Ergebnisse führen zu einem verbesserten Modell.

Grenzen des Rutherford-Modells

Der Streuversuch zeigt überzeugend die Existenz eines kleinen Atomkerns. Er erklärt aber nicht, wie die Elektronen in der Hülle angeordnet sind. Das klassische Rutherford-Modell kann auch die Stabilität der Atome und die Linienspektren nicht erklären. Diese Fragen wurden später mit dem bohrschen Atommodell und der Quantenmechanik bearbeitet.

Mathematische Vertiefung

Die Stärke der Streuung hängt vom Streuwinkel ab. Für die ideale Coulomb-Streuung gilt die Rutherford-Streuformel:

$\frac{\mathrm{d}\sigma }{\mathrm{d}\Omega }={\left(\frac{Z_1{Z}_2{e}^2}{16\pi {\epsilon }_{0}E}\right)}^2\frac{1}{{\sin }^4\left(\frac{\vartheta }{2}\right)}$

Dabei bezeichnet $\vartheta$ den Streuwinkel, $E$ die Bewegungsenergie und $Z_1$ sowie $Z_2$ die Ladungszahlen der beteiligten Teilchen. Für die Schule ist vor allem die Aussage wichtig: Große Streuwinkel sind viel seltener als kleine Streuwinkel.

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Zusammenfassung

Der Rutherfordsche Streuversuch zeigte, dass Atome nicht aus einer gleichmäßig verteilten positiven Masse bestehen. Fast alle Alpha-Teilchen flogen durch die Goldfolie, weil Atome überwiegend leerer Raum sind. Seltene starke Ablenkungen bewiesen einen sehr kleinen, positiv geladenen und massereichen Atomkern. Damit entstand das Kern-Hülle-Modell als wichtige Grundlage für das heutige Verständnis des Atombaus.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welche Teilchen wurden auf die Goldfolie gerichtet? (Alpha-Teilchen) (!Elektronen) (!Neutronen) (!Photonen)

Welche Aufgabe hatte die Goldfolie? (Sie diente als dünnes Streuziel) (!Sie erzeugte Alpha-Teilchen) (!Sie verstärkte die Lichtblitze) (!Sie schirmte die Strahlung vollständig ab)

Was beobachtete man bei den meisten Alpha-Teilchen? (Sie durchdrangen die Folie nahezu geradlinig) (!Sie wurden vollständig absorbiert) (!Sie kehrten zur Quelle zurück) (!Sie zerfielen in Elektronen)

Welche Beobachtung widersprach dem thomsonschen Atommodell besonders deutlich? (Einzelne Teilchen wurden stark zurückgestreut) (!Die Goldfolie war sehr dünn) (!Der Schirm erzeugte Lichtblitze) (!Die Quelle befand sich in einem Bleiblock)

Wo befindet sich nach Rutherford die positive Ladung des Atoms? (Im kleinen Atomkern) (!Gleichmäßig in der gesamten Hülle) (!Nur in den Elektronen) (!Außerhalb des Atoms)

Was enthält der Atomkern nach dem Rutherford-Modell? (Fast die gesamte Atommasse) (!Nur Elektronen) (!Den größten Teil des Atomvolumens) (!Ausschließlich leeren Raum)

Warum werden starke Ablenkungen nur selten beobachtet? (Der Atomkern ist im Vergleich zum Atom sehr klein) (!Alpha-Teilchen sind ungeladen) (!Gold enthält keine Atomkerne) (!Der Leuchtschirm ist zu langsam)

Welche Kraft lenkt ein Alpha-Teilchen nahe am positiven Kern ab? (Elektrische Abstoßung) (!Magnetische Anziehung) (!Reibungskraft) (!Auftriebskraft)

Was macht der Zinksulfidschirm sichtbar? (Treffer einzelner Alpha-Teilchen) (!Die Elektronenbahnen im Atom) (!Die Farbe des Atomkerns) (!Die Temperatur der Goldfolie)

Welche Aussage beschreibt eine Grenze des Rutherford-Modells? (Es erklärt die genaue Elektronenanordnung nicht) (!Es enthält keinen Atomkern) (!Es bestreitet die Existenz von Elektronen) (!Es beschreibt Atome als vollständig massiv)

Memory

Alpha-Teilchen	zweifach positiv geladener Heliumkern
Goldfolie	sehr dünnes Streuziel
Zinksulfidschirm	macht Treffer als Lichtblitze sichtbar
Atomkern	enthält positive Ladung und fast gesamte Masse
Atomhülle	Bereich der Elektronen
Großer Streuwinkel	seltene nahe Kernbegegnung
Gerade Bahn	großer Abstand vom Kern

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Deutung
Fast ungehinderter Durchgang	Atom besteht überwiegend aus nahezu leerem Raum
Seltene starke Ablenkung	Positive Ladung ist stark konzentriert
Rückstreuung	Sehr nahe Annäherung an den Atomkern
Viele Treffer in Vorwärtsrichtung	Die meisten Teilchen passieren keinen Kernbereich
Kaum Ablenkung durch Elektronen	Elektronen besitzen eine geringe Masse

Kreuzworträtsel

Goldfolie	Welche dünne Metallfolie wurde besonders häufig als Streuziel verwendet?
Heliumkern	Was ist ein Alpha-Teilchen seinem Aufbau nach?
Zinksulfid	Welcher Stoff auf dem Schirm erzeugt kleine Lichtblitze?
Atomkern	Wie heißt das kleine positive Zentrum eines Atoms?
Rutherford	Welcher Forscher deutete die Streuergebnisse mit einem Kern-Hülle-Modell?
Coulombkraft	Welche elektrische Kraft lenkt positive Alpha-Teilchen am positiven Kern ab?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Beim Rutherfordschen Streuversuch wurden schnelle auf eine sehr dünne Metallfolie gerichtet. Als Streuziel wurde häufig verwendet. Die Treffer wurden auf einem mit beschichteten Schirm sichtbar. Die meisten Teilchen flogen nahezu durch die Folie. Nur wenige Teilchen wurden stark . Einzelne Teilchen wurden sogar . Daraus folgerte Rutherford, dass Atome überwiegend aus nahezu bestehen. Die positive Ladung befindet sich in einem sehr kleinen . Dort liegt auch fast die gesamte des Atoms. Die negativ geladenen Elektronen bilden die . Das daraus entwickelte Modell heißt . Die genaue Anordnung der Elektronen konnte der Streuversuch jedoch nicht .

Offene Aufgaben

Leicht

1. Versuchsaufbau: Zeichne die Apparatur und beschrifte Strahlungsquelle, Abschirmung, Goldfolie und Leuchtschirm.
2. Beobachtung: Formuliere die vier wichtigsten Beobachtungen in eigenen Worten.
3. Atommodell: Baue ein einfaches Kern-Hülle-Modell aus Alltagsmaterialien und erkläre die Größenverhältnisse.
4. Erklärvideo: Nimm ein einminütiges Video auf, in dem Du den Weg eines Alpha-Teilchens beschreibst.

Standard

1. Modellvergleich: Erstelle eine Tabelle mit Vorhersagen des Thomson-Modells und Ergebnissen des Streuversuchs.
2. Comic: Gestalte einen kurzen Lerncomic, in dem ein Alpha-Teilchen an einem Atomkern vorbeifliegt.
3. Interview: Führe ein fiktives Interview mit Geiger, Marsden oder Rutherford über die überraschenden Messwerte.
4. Simulation: Entwickle mit Murmeln oder Kugeln ein ungefährliches Modell, das geradlinige Bahnen und seltene Ablenkungen zeigt.

Schwer

1. Datenanalyse: Erfinde eine plausible Messreihe mit verschiedenen Streuwinkeln und stelle die Häufigkeiten in einem Diagramm dar.
2. Strahlenschutz: Recherchiere Regeln für den sicheren Umgang mit radioaktiven Schulpräparaten und erstelle ein Informationsblatt.
3. Wissenschaftsgeschichte: Untersuche, wie das Rutherford-Modell zum Bohrschen Atommodell weiterentwickelt wurde.
4. Modellkritik: Schreibe eine begründete Bewertung, welche Fragen der Streuversuch beantwortet und welche offenbleiben.

Lernkontrolle

1. Experiment und Modell: Erkläre, wie eine einzelne unerwartete Beobachtung ein wissenschaftliches Modell infrage stellen kann. Nutze den Streuversuch als Beispiel.
2. Beobachtung und Deutung: Ordne drei selbst gewählte Aussagen entweder der Beobachtung oder der Deutung zu und begründe Deine Entscheidung.
3. Transfer auf unbekannte Folien: Vermute, wie sich die Streuung bei einer Folie mit kleinerer Kernladung verändern könnte, und begründe Deine Vermutung.
4. Größenverhältnis: Entwickle einen anschaulichen Vergleich, der den kleinen Kern und die große Atomhülle verdeutlicht.
5. Modellgrenze: Begründe, warum der Nachweis eines Atomkerns noch keine vollständige Erklärung der Elektronenhülle liefert.
6. Versuchsplanung: Beschreibe, welche Messgröße Du verändern oder genauer erfassen würdest, um die Streuverteilung besser zu untersuchen.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du:

1. den Versuchsaufbau fachsprachlich korrekt beschreiben,
2. die Beobachtungen von ihrer Deutung unterscheiden,
3. die Entstehung großer und kleiner Streuwinkel erklären,
4. die Kernaussagen des Kern-Hülle-Modells darstellen,
5. das Thomson-Modell mit dem Rutherford-Modell vergleichen,
6. die Bedeutung und die Grenzen des Experiments beurteilen,
7. eine Darstellung oder Messreihe verständlich auswerten können.

Verknüpfte Lernbereiche

Rutherfords Streuversuch - Chemie Atom Atommodell Thomsonsches Atommodell Rutherfordsches Atommodell Atomkern Atomhülle Alpha-Strahlung Radioaktivität Coulombkraft Bohrsches Atommodell