Wilhelm - Heinrich - Riehl - Kolleg Landeshauptstadt Düsseldorf

1. Der zweite Bildungsweg Hergestellt mit Microsoft Office PowerPoint 2003 - Bildschirmauflösung 1024 x 768 Pixel ©Wilhelm-Heinrich-Riehl-Kolleg - www.riehl-kolleg.de - Düsseldorf 2009 - Alle Rechte vorbehalten. - Gestaltung und Inhalt: Richard Fischer Wilhelm - Heinrich - Riehl - Kolleg Landeshauptstadt Düsseldorf Sie brauchen nicht schreiben. Es liegt ein Skript vor! Grundkenntnisse für Biologiekurse Teil 9

2. - 10 10 m positiv geladenes Kügelchen • Atome einen Durchmesser von etwa besitzen. Wiederholung: Das Atommodell von Thomson (1903) Thomson wusste schon, dass ... • Atome nach außen hin elektrisch neutral sind. • die Hauptmasse des Atoms positiv geladen ist, während die negativ geladenen Elektronen fast keine Masse besitzen. Seine Annahme: Atome bestehen aus einer überall gleich- mäßig verteilten, positiv geladenen Masse. In diese Masse sind die negativ geladenen Elektronen lose eingebettet. Diese Annahme Thomsons überprüfte Rutherford durch ein Experiment.

3. Dazu verwendete er ... 1. Goldfolie Die Goldfolie wurde durch Auswalzen hergestellt und war extrem dünn, nur etwa 2000 Atomlagen. 2. α-Strahlen α-Strahlen werden frei, wenn das Element Radium zerfällt. Eigenschaften der α-Strahlen: • Sie bestehen aus extrem kleinen Teilchen (= Heliumkernen). • Die Teilchen sind sehr leicht im Vergleich zum Goldatom. Bleiblock mit Kanal • Jedes Teilchen trägt zwei positive Ladungen (Goldatome 79). radioaktiver Stoff (Radiumchlorid) • Die Teilchen bewegen sich mit sehr hoher Geschwindigkeit (ca. 15.000 km/s). Treffen α-Strahlen auf einen Film, so belichten sie ihn. 3. Film

4. strahlt α-Teilchen ab (= Heliumkerne = ) 2+ He Der Streuversuch von Rutherford (1911) fotografischer Film Erwartung Belichtung, wenn α-Teilchen auftrifft! evakuierte Apparatur extrem dünne Goldfolie einbringen Erwartung: Wenn das Atommodell von Thomson zuträfe, würden die α-Teilchen, sofern sie schnell genug sind, die Goldfolie durchdringen und nur schwach aus ihrer ursprünglichen Richtung abgelenkt (= gestreut) werden. radioaktiver Stoff (Radiumchlorid) Bleiblock mit Kanal

5. strahlt α-Teilchen ab (= Heliumkerne = ) 2+ He Der Streuversuch von Rutherford (1911) erwartungsgemäß: schwache Ablenkung nicht erwartungsgemäß: starke Ablenkung nicht erwartungsgemäß: Rückstreuung (= Reflexion) jedoch: Beobachtung Die genaue Auswertung zeigt: • sehr oft: schwache Ablenkung radioaktiver Stoff (Radiumchlorid) • sehr selten: starke Ablenkung • extrem selten: Rückstreuung (= Reflexion) Bleiblock mit Kanal

6. Filmauswertung α-Teilchen belichten den Film Film Rückstreuung (= Reflexion) starke Ablenkung schwache Ablenkung starke Ablenkung Rückstreuung (= Reflexion) In Wirklichkeit wird von etwa 100.000 α-Teilchen nur eines stark abgelenkt oder reflektiert! Anmerkung: Anstelle des fotografischen Films verwendete Rutherford auch ein mit dotiertem Zinksulfid versehenen Leuchtschirm, der vor dem Objektiv eines Mikroskops befestigt war. Trafen die α-Teilchen auf den Leuchtschirm, so konnten durch das Okular kleine Lichtblitze beobachtet werden. Das Mikroskop wurde im Kreis um die Goldfolie herum bewegt und die Anzahl der Lichtlitze pro Zeiteinheit für jeden Einfallwinkel der α-Teilchen gezählt. Auf diese Weise gelangte er zum gleichen Resultat.

7. Welche Folgerungen ergeben sich? • Annahme Thomsons: Atome bestehen aus einer überall gleichmäßig verteilten, positiv geladenen Masse. In diese Masse sind die negativ geladenen Elektronen lose eingebettet. Thomson wusste schon, dass die Hauptmasse des Atoms positiv geladen ist, währenddie Elektronen fast keine Masse besitzen. • Unter dieser Annahme konnte erwartet werden, dass die extrem kleinen, positiv geladenen α-Teilchen, sofern sie genügend kinetische Energie besaßen, durch die extrem dünne Goldfolie hindurch flögen. Lediglich durch den Zusammenprall mit den Goldatomen und aufgrund der Ladungen würden sie schwachabgelenkt (= gestreut). • Dies war weitgehend auch der Fall. Aber es zeigte sich, dass die α-Teilchen auch auf einen sehr starken Widerstand stoßen konnten,so dass sie sogar reflektiert wurden. • Da dies nur extrem selten zu beobachten war, musste sich die dafür verantwortliche Masse auf einen extrem keinen Raum konzentrieren. • Die Massenverteilung im Atom war also nicht gleichmäßig. Das Atommodell von Thomson war nicht richtig! • Da die negativ geladenen Elektronen fast keine Masse besitzen, musste die auf einen extrem kleinen Raum konzentrierte Masse positiv geladenen sein. • α-Teilchen, die dieser konzentrierten, positiv geladenen Masse sehr nahe kamen, wurden elektrostatisch abgestoßen und in ihrer Flugbahn stark abgelenkt. • Goldatome bestehen also aus einer riesigen, fast massenlosen, negativ geladenen Elektronenhülle und einem winzigen, positiv geladenen Kern mit großer Masse. Rutherfordsches Atommodell (1911)

8. ca. 2000 Atomlagen α-Teilchen 2+ = He Verdeutlichung Goldfolie Kanalöffnung schwache Ablenkung starke Ablenkung Rückstreuung (= Reflexion)

9. Verdeutlichung • sehr oft: schwache Ablenkung Die fast masselosen Elektronen haben kaum einen Einfluss auf die viel schwereren α-Teilchen, die mit großer Geschwindigkeit durch die Goldfolie fliegen. Da die Elektronenhülle fast das gesamte Atom ausmacht, ist die schwache Ablenkung sehr oft zu beobachten. • sehr selten: starke Ablenkung Je näher aber ein positiv geladenes α-Teilchen (2+) dem viel stärker positiv geladenen Atomkern (79+) kommt, um so stärker wird es abgestoßen. Weil der Kern äußerst klein ist, passiert die starke Ablenkung sehr selten. • extrem selten: Rückstreuung Wegen der winzigen Größe des Kerns kommt es extrem selten vor, dass ein α-Teilchen direkt auf den Kern zufliegt. Die Abstoßungskräfte sind dann maximal und es erfolgt eine Rückstreuung (= Reflexion).

10. Atomdurchmesser = ca. Kerndurchmesser = ca. 10m positiv geladener Kern negativ geladene Elektronenhülle - 10 - 14 10 m 10 m Goldatom Resultierende Größen- und Massenverhältnisse Die schwierige rechnerische Auswertung des Streuversuchs ergab: • Der Atomdurchmesser ist im Vergleich zum Kerndurchmesser riesig. Das gesamte Atom ist ca. 10.000-mal größer als der Kern. • Mit den Massen verhält es sich umgekehrt. Fast die gesamte Masse des Atoms, nämlich ca. 99,9%, entfällt auf den Kern. Vergrößerung des Atom- durchmessers auf 10m Veranschaulichung Der Kerndurchmesser beträgt dann ca. 1mm! Der Kern enthält aber ca. 99,9% der Atommasse! Eingang Riehl-Kolleg

11. Goldatom Ergänzung • 1911 war noch nicht bekannt, dass die Protonen für die positive Kernladung verantwortlich sind. • Erst Rutherford stellte 1919 fest, dass die Protonen die positive Ladung des Kerns bewirken. Es gilt: Kernladungszahl = Protonenanzahl! • Moseley entdecke 1913/14, dass die Ordnungszahl von der Kernladungszahl bestimmt wird. Also: 0rdnungszahl = Kernladungszahl! • Jedes Proton trägt eine positive Elementarladung, während jedes Elektron eine negative Elementarladung trägt! Die beiden Arten von Elementarladungen sind die kleinsten existierenden Ladungen und vom Betrag her gleich groß! Elementsymbol = Protonenanzahl Au Kernladungs- zahl = 79 79 Das Goldatom besitzt 79 positive und 79 negative Elementarladungen. Ordnungszahl = Kernladungszahl Elektronen-anzahl = 79 Das Au-Atom ist elektrisch neutral!

12. Ende