Simulation: Rutherford-Streuversuch

Der Rutherford-Streuversuch

Ernest Rutherford ließ um 1910 eine dünne Goldfolie mit α-Teilchen beschießen. α-Teilchen sind Heliumkerne (zwei Protonen, zwei Neutronen) und tragen eine zweifach positive Ladung. Ein Leuchtschirm um die Folie machte sichtbar, wohin die Teilchen nach dem Durchgang flogen.

Was wurde beobachtet?

Die allermeisten α-Teilchen flogen nahezu geradeaus durch die Folie. Nur wenige wurden abgelenkt, und ganz vereinzelt wurde ein Teilchen sogar fast zurückgeworfen. Beides war überraschend – und zwar je nachdem, von welchem Atommodell man ausging.

Was hätte man erwartet?

Daltons Modell: Atome sind kleine, massive, unteilbare Kugeln, die in der Folie dicht an dicht liegen – und das über 1000 Atomlagen hintereinander. Wäre das richtig, hätten die α-Teilchen auf undurchdringliche Materie treffen und fast alle zurückprallen oder stecken bleiben müssen. Dass die allermeisten Teilchen glatt hindurchfliegen, passt also überhaupt nicht zu massiven Kugeln.

Thomsons Modell (der „Rosinenkuchen“, von dem Rutherford damals ausging): Die positive Ladung ist gleichmäßig über das ganze Atom verteilt, die Elektronen sind wie Rosinen darin eingebettet. Danach müssten alle α-Teilchen die Folie nahezu ungehindert und nur ganz leicht abgelenkt passieren. Starke Ablenkungen oder gar Rückstreuungen dürfte es nach diesem Modell gar nicht geben – genau die wurden aber beobachtet.

Was bedeutet das für den Atombau?

Rutherford schloss daraus: Ein Atom besteht überwiegend aus leerem Raum (der Atomhülle, in der sich die leichten Elektronen bewegen) und besitzt in der Mitte einen sehr kleinen, schweren, positiv geladenen Atomkern. Kommt ein α-Teilchen diesem Kern sehr nahe, wird es durch die starke Abstoßung gleicher Ladungen kräftig abgelenkt – berühren muss es den Kern dazu nicht. Je genauer es auf den Kern zufliegt, desto stärker fällt die Ablenkung aus. Weil der Kern aber winzig ist, geschieht das nur selten.

Das Kern-Hülle-Modell

So entstand das Kern-Hülle-Modell: ein winziger Kern aus Protonen und Neutronen, umgeben von einer ausgedehnten Hülle aus Elektronen. In Wirklichkeit ist ein Atom zehntausend- bis hunderttausendmal größer als sein Kern – beim Goldatom stehen rund 144 pm Atomradius etwa 7 fm Kernradius gegenüber. In der Simulation wurde der Kern deutlich vergrößert gezeichnet, damit er überhaupt sichtbar ist.