Station 3: Bausteine des Kerns 2
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Die Kernelektronen Hypothese
Gemäß dem Atommodell von Ernest Rutherford besteht ein Atom aus einem kleinen, schweren, positiv geladenen Kern, der von einer wesentlich größeren Hülle aus Elektronen umgeben ist. Die experimentellen Daten, die Rutherford und seine Mitarbeiter bei den unzähligen Streuversuchen erhalten hatten, stützten dieses Modell.
Um die radioaktive β-Strahlung zu erklären, mussten dagegen einige Annahmen gemacht werden, die zunächst nicht durch Experimente gestützt werden konnten. Es war bekannt, dass β-Strahlung nichts anderes ist als die bereits bekannten negativ geladenen Elektronen. Experimente zeigten, dass diese Elektronen nicht aus der von Rutherford postulierten Hülle aus Elektronen des Atoms stammen konnten.
Verschiedene Wissenschaftler, darunter auch Rutherford, stellten daher in den 1920er Jahren die Hypothese auf, dass diese Elektronen aus dem Atomkern stammten. Es war bekannt, dass die Kernladung ungefähr halb so groß ist wie die Masse des Atoms.
Aufgabe
Entwickle anhand dieser Hypothese ein Modell für den Heliumatomkern (Masse: 4 u, Ladung: +2) und zeichne dein Modell.
Der Atomkern mit Kernelektronen
Es wurde allgemein angenommen, dass der Atomkern aus positiv geladenen Teilchen besteht, die den Großteil der Masse ausmachen. Mit einer entsprechenden Anzahl der wesentlich leichteren und kleineren Elektronen im Kern wäre die Ladung des Atomkerns insgesamt positiv und genauso groß wie die negative Ladung der Elektronen in der Hülle des Atoms ist. Auch der Zusammenhang zwischen Kernladung und Atommasse lässt sich auf die Weise erklären.
Ein Modell des Atomkerns mit Kernelektronen
Die Abbildung links zeigt dir, wie ein Heliumatomkern, ein α-Teilchen, nach dem Modell der Kernelektronen aussehen würde. Die blauen Kugeln symbolisieren die positiv geladenen Teilchen, die roten die negativ geladenen Elektronen. Insgesamt ergibt sich eine Kernladung von +2 und eine Masse von etwa 4 u.
Widerlegung der Hypothese
Berechnungen und Experimente vieler Wissenschaftler zeigten aber bald, dass dieses Modell des Atomkerns nicht korrekt sein konnte. Der Unterschied zwischen der Masse und der Ladung des Kerns musste auf eine andere Weise erklärt werden können.
Der Atomkern ohne Kernelektronen
Die Erklärung konnte erst 1932 durch James Chadwick, einen Mitarbeiter Rutherfords, geliefert werden:
1930 hatten zwei deutsche Wissenschaftler entdeckt, dass beim Beschuss von leichten Elementen, zum Beispiel Beryllium (Atommasse 9 u), mit α-Teilchen eine Strahlung entsteht, die ungewöhnlich stark durchdringend ist. Chadwick griff diese Ergebnisse auf und führte Experimente durch, um diese Strahlung zu charakterisieren. Er fand dabei heraus, dass diese Strahlung aus Teilchen besteht, die sich weder durch ein elektrisches noch durch ein magnetisches Feld beeinflussen lassen, genau wie γ-Strahlung. Allerdings ungefähr die gleiche Masse haben wie die positiv geladenen Teilchen des Atomkerns. Chadwick nannte diese Teilchen Neutronen.
Durch die Entdeckung des Neutrons konnte das Modell des Atomkerns verändert werden. Demnach ist der Kern aus positiv geladenen Teilchen und den Neutronen zusammengesetzt. Diese Teilchen machen zusammen den absoluten Großteil der Masse des Atoms aus. Die Anzahl der positiv geladenen Teilchen im Kern ist gleich der Anzahl der Elektronen in der Hülle. Die Anzahl der Neutronen im Kern ist dagegen variabel.
Das Modell des Atomkerns ohne Kernelektronen
Die Abbildung links zeigt dir, wie ein Heliumatomkern nach diesem Modell aussehen würde. Die blauen Kugeln symbolisieren die positiv geladenen Teilchen, die hellen Kugeln die Neutronen. Insgesamt erklärt auch dieses Modell die Ladung von +2 und die Masse von etwa 4 u.