Baustein 5: Der Rutherfordsche Streuversuch

Baustein 5: Der Rutherfordsche Streuversuch

Radioaktive Strahlung als Untersuchungsinstrument

Das neuartige Phänomen der Radioaktivität war für viele Naturwissenschaftler zu Beginn des 20. Jahrhunderts ein vielversprechendes Forschungsgebiet, so auch für Ernest Rutherford (1871‑1937). Er war ein neuseeländischer Physiker und erhielt 1908 den Nobelpreis für Chemie „für seine Untersuchungen über den Zerfall der Elemente und die Chemie der radioaktiven Stoffe“. Wie viele Wissenschaftler zu dieser Zeit, wollte auch er herausfinden wie Atome aufgebaut sind.

Ab dem Jahr 1907 arbeitete er als Professor an der Universität in Manchester und untersuchte mit seinen Mitarbeitern die Eigenschaften eines bestimmten Teils der radioaktiven Strahlung. Dieser Teil wird α-Strahlung genannt. Er besteht aus zweifach positiv geladenen Heliumatomen, den α-Teilchen. Sie können dünne Schichten aus anderen Materialien durchdringen. 1908 konnte sein Mitarbeiter Hans Geiger feststellen, dass ein schmaler Strahl aus α-Teilchen anscheinend aufgefächert wird, wenn er auf eine dünne Goldfolie trifft, bzw. diese durchdringt. Die Streuung, die Geiger dabei feststellen konnte, lag im Bereich von ungefähr einem Grad. Daraufhin betraute Rutherford Geiger und einen weiteren jungen Mitarbeiter, Ernest Marsden, damit, diese Streuung genauer zu untersuchen. Rutherford wollte herausfinden, ob sie auch zurückgestreut werden können. Er hielt es aber nicht für möglich.

Geiger und Marsden entwarfen also ein Experiment, um zu untersuchen, ob die α-Teilchen auch stärker als nur ein Grad von einer dünnen Metallfolie gestreut werden können. Sie konnten in den Jahren ab 1908 bis 1913 durch mehrere, umfangreiche Experimente zeigen, dass α-Teilchen stärker an Materie gestreut werden als allgemein angenommen wurde.


Eines der wichtigsten Experimente kannst du dir in der folgenden Animation ansehen.

Aufgabe 5.1

Klicke dich durch die Animation, und fasse die Informationen in einer eigenen Zeichnung des Versuchs zusammen, um hinterher die digitale Aufgabe lösen zu können.

Rutherford

Aufgaben zur Animation des Streuversuches

Aufgabe 5.2

Bearbeite eine oder beide digitalen Aufgaben, nachdem du dir die Animation angeschaut hast.

Die Aufgaben haben den gleichen Inhalt, aber unterschiedliche Schwierigkeitsgrade.

Zuordnungsaufgabe - niedriger Schwierigkeitsgrad

Benennungsaufgabe - höherer Schwierigkeitsgrad


Modellversuch

Aufgabe 5.3

Wir können den Streuversuch von Rutherford nicht selber durchführen, deshalb nutzen wir einen Modellversuch, um ihn zu simulieren. Dafür brauchen wir einen Schuhkarton, etwas Pappe, kleine Metallkugeln und Nägel.

Solltest du den Versuch in der Schule (oder zu Hause) nicht selber durchführen können, schau dir einfach das folgende Video an.

  1. Sieh dir das Video aufmerksam an und notiere deine Beobachtungen.
  2. Stelle auf Grundlage deiner Beobachtungen Vermutungen auf, was sich unter dem Pappdeckel befinden könnte.

Der Rutherfordsche Streuversuch im Rückblick

Rutherford selbst fasste später rückblickend die Forschung seiner Arbeitsgruppe zusammen. Um die Ergebnisse des Experiments und damit den Aufbau der Atome besser beschreiben zu können, mussten er und seine Mitarbeiter einige Annahmen machen.

Aufgabe 5.4

Lies die Texte in der Datei, die du unter dem Punkt "Material" findest. Du kannst zwischen einer deutschen Übersetzung oder dem Original auf Englisch mit Übersetzungshilfen wählen.

Markiere dir wichtige Aussagen und Annahmen zum Aufbau der Atome und fasse diese schriftlich zusammen.


Das von Rutherford entworfene Modell eines Atoms

Aufgabe 5.5

Bearbeite die folgenden Aufgaben.

  1. Entwickle anhand der Informationen aus den vorangegangenen Bausteinen, der Animation, dem Modellversuch und den Annahmen die Rutherford machte ein eigenes Gedankenmodell eines Atoms. Zeichne dein Modell.
  2. Nenne Eigenschaften, die du über den Aufbau des Atoms auf Grundlage des Rutherford Modells machen kannst.
  3. Beurteile das Modell von Rutherford. Welche Eigenschaften eines Atoms sind in dem Modell nicht beschrieben?

Solltest du nicht weiterkommen, können dir die Tipps weiter unten vielleicht helfen.

Tipps

Für Aufgabe 1

  1. Beginne mit einer Zusammenfassung: Was weißt du schon über den Aufbau von Atomen?
  2. Nutze deine Markierungen und Notizen aus den Texten von Rutherford.
  3. Die Goldatome in der Folie sind ohne Abstände aneinandern. Wie müssen die Goldatome aufgebaut sein, damit fast alle α-Teilchen ungehindert hindurch fliegen? 

Zoom auf die Goldatome

Stell dir vor du könntest so nah an die Goldfolie heran, dass du einzelne Atome sehen könntest. Dann könntest du vielleicht so einen Ausschnitt aus der Goldfolie sehen, während sie mit α-Teilchen beschossen wird.

Für Aufgabe 2 und 3

  1. Schau nochmal in deinen Notizen nach:
    1. Was sagte Rutherford über den Aufbau des Atoms?
    2. Worüber sagte er nichts?
    3. Woraus bestehen Atome laut Rutherford?

 

Modellversuch Teil 2

Kommen wir jetzt zur Auflösung der Frage aus dem Modellversuch. Sie dir dazu wieder aufmerksam das folgende Video an.

Erläuterungen zum Modellversuch

Wie du am Ende des Videos schon gesehen hast, ist unser Modellversuch keine ideale Repräsentation des echten Streuversuchs.

Es gibt hier einige Dinge zu beachten:

  • Im Modellversuch haben wir nur eine einzige Reihe an Nägeln verwendet. Die Goldfolie im echten Experiment war zwar sehr dünn, dennoch war sie immernoch etwa 1000 Atome dick.
  • Die Größenverhältnisse zwischen Metallkugeln und Nägeln sind ganz anders als die zwischen den alpha-Teilchen und den Atomkernen des Golds.
    • In unserem Modell sind die Kugeln größer als die Nägel. In Wirklichkeit sind die alpha-Teilchen viel kleiner als die Atomkerne des Golds.
    • Und: Die Abstände zwischen den Atomkernen (den Nägeln) sind viel zu klein.
  • Im Modellversuch werden die Kugeln abgelenkt wenn sie den Nagel treffen, im echten Experiment wurden die alpha-Teilchen alleine dadurch abgelenkt, dass sie in die Nähe des Kern gekommen sind, weil beide positiv geladen sind und gleiche Ladungen stoßen sich ab.

Trotzdem können wir mit Hilfe dieses einfachen Modells wichtige Teile, Eigenschaften und Ergebnisse des echten Versuchs darstellen.

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(Stand: 23.02.2021)