Atommodelle – Rutherford-Streuung

Wenn wir das Spektrum von Atomen verstehen wollen, müssen wir erst einmal wissen, wie das Atom überhaupt aufgebaut ist. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts war schon bekannt, dass Atome aus positiven und negativen Ladungen bestehen, aber es war noch nicht klar, wie es im Inneren des Atoms aussieht. Sind die negativen und die positiven Ladungen homogen verteilt, oder befinden sich die Negativen außen und die Positiven innen und wenn ja, wie weit sind sie voneinander entfernt?

Über diese Fragen kann man philosophieren soviel man will, letztlich herausfinden kann man es nur durch ein Experiment.

Entscheidend war das geniale Experiment von Rutherford. Zu seiner Zeit war gerade die Radioaktivität entdeckt worden, und ein Alpha-Strahler, also schnelle Helium-Atomkerne, die von radioaktivem Radium emittiert werden, standen zur Verfügung.

Rutherford wählte sozusagen als Zielscheibe für die schnellen Alpha-Teilchen eine Goldfolie, die extrem dünn war, also nur aus wenigen Atomlagen bestand. Um zu messen, wie die Alphateilchen in der Goldfolie abgelenkt werden, verwendete Rutherford Szintillations-Schirme, die beim Auftreffen des Alphateilchens in kompletter Dunkelheit winzige Lichtblitze erzeugten.

Durch die Detektion der gestreuten Alpha-Teilchen in allen Winkeln lässt sich etwas über den Aufbau des Goldatoms herausfinden. Es zeigte sich, dass fast alle Goldatome ungestreut durch die Goldfolie hindurchgingen. Ein unerwartetes Ergebnis: Nur sehr wenige alpha-Teilchen wurden durch die Goldfolie gestreut. Manche aber erstaunlich stark. Was hatte das zu bedeuten?

Elektronen sind sehr leicht und stellen für die Alphateilchen effektiv kein Hindernis dar. Das Alphateilchen bewegt sich praktisch ungestört weiter. Nur die schweren, positiv geladenen Atomkerne stellen ein Hindernis für die Alphateilchen dar. Die Atomkerne müssen offenbar erstaunlich klein sein, weil sonst ja viel mehr Alphateilchen abgelenkt werden müssten.

Durch die Abstoßung der positiven Ladungen ergeben sich Hyperbelbahnen, die umso stärker gekrümmt sind, je näher das Alphateilchen auf den Atomkern trifft.

Jeder Abstand des alpha-Teilchens zum Atomkern ist gleich wahrscheinlich. Das heißt, diejenigen Alphateilchen, die ganz nah am Atomkern sind und am stärksten gestreut werden, kommen genauso oft vor wie die, die ein bisschen weniger nah dran sind und weniger stark gestreut werden, oder noch weiter weg und noch weniger gestreut werden, und so weiter. Aus der Form der Hyperbelbahnen folgte bereits, dass größere Streuwinkel sehr viel unwahrscheinlicher sind als kleinere.

Die allermeisten Alphateilchen sind weit weg vom winzigen Atomkern und werden in ihrer Hyperbelbahn fast nicht gekrümmt, kommen also direkt durch die Goldfolie durch. Diese Erklärung gilt aber nur, solange sich der Atomkern nur durch seine elektrische Abstoßung, also die Coulombkraft, bemerkbar macht.

Je größer der Streuwinkel, desto näher kommt das Alpha-Teilchen an den Atomkern heran. Erst wenn tatsächlich die Kernkraft, also eine neue Kraft, mit ins Spiel kommt, ergibt sich eine Abweichung von der Hyperbelbahn. Rutherford konnte immerhin schon eine Grenze angeben, ab der solche Abweichungen auftreten, und aus dem entsprechenden Streuwinkel auf die Größenordnung des Atomkernes schließen. Diese liegt bei Zehn hoch minus 15 Meter. Damit wissen wir also, dass das Atom fast leer ist: Die Atomhülle ist etwa hunderttausendmal größer als der Atomkern. Damit ist auch klar, dass die Bindungsenergie durch die Kernkraft mehr als hunderttausendmal größer sein muss als die Coulombenergie, da der positiv geladene Atomkern sonst auseinanderbrechen müsste.

Wäre das Atom so groß wie ein Fußballstadion, würden sich die Elektron-Orbits in den Zuschauerrängen befinden und der Atomkern wäre in etwa so groß wie eine Stecknadel.