Der Rutherfordsche Streuversuch


Im späten 19. Jahrhundert schienen in der Physik alle wichtigen Gesetze gefunden zu sein. Thermodynamik, statistische Mechanik und die elektromagnetische Theorie verzeichneten so große Erfolge bei der Erklärung des Verhaltens der Materie, daß der Physiker A. A. Michelson sagte: "Unsere zukünftigen Entdeckungen müssen wir in der sechsten Dezimalstelle suchen".

Dann wurden Röntgenstrahlen und Radioaktivität entdeckt. Die Radioaktivität war für die Physiker der damaligen Epoche ein großer Schock, kann sie doch nur entstehen, wenn Atome nicht unteilbar sind, sondern zerfallen und sich in andere Atomarten spalten. Mit den alpha-Teilchen, einer der drei radioaktiven Strahlungsarten, die aus 2-fach positivierten Heliumatomen (Masse: 4u) besteht, hängt der Niedergang des damals recht zufriedenstellenden Atommodells von J. J. Thompson zusammen.

Thompson hatte ein Atommodell vorgeschlagen, bei dem die gesamte Masse und die gesamte positive Ladung gleichmäßig über das ganze Atom verteilt waren, während die Elektronen im Atom wie Rosinen in einem Kuchen eingebettet waren. Die gegenseitige Abstoßung der Elektronen untereinander sorgte ebenfalls für ihre gleichmäßige Verteilung über das Atom. Die sich ergebende, enge Verknüpfung zwischen den positiven und negativen Ladungen war vernünftig. Die Ionisation konnte durch das Herauslösen einiger Elektronen aus dem "Kuchen" erklärt werden, wonach ein massives, festes Atom mit einem Überschuß an positiver Ladung zurückbleibt.

1910 widerlegte Ernest Rutherford (1871-1937) dieses Atommodell mehr oder weniger durch Zufall während einer Messung der Streuung von alpha-Strahlen an extrem dünnen Metallfolien.

Dabei benutzte er folgende Versuchsanordnung:

In einem Bleiblock befindet sich eine Quelle für alpha-Teilchen. Die Teilchen treffen auf eine dünne Goldfolie (ca. 1000 Atomlagen dick). Rundherum stellt man einen Detektorschirm auf, um zu sehen, wohin die alpha-Teilchen abgelenkt werden. Die Apparatur wird in einer evakuierten Kammer aufgestellt, um Kolisionen mit Molekülen der Luft zu verhindern. In der Animation (sie läuft, wenn Sie auf das Bild der Versuchsanordnung klicken), wird jedes auftreffende Alphateilchen durch einen schwarzen Punkt dargestellt. Im Orginalversuch war es eine mit Zinksulfid beschichtete Platte, die beim Auftreffen eines Teilchens einen Lichtblitz aussendet (Floureszenzfilm). Doch bevor Sie weiterlesen, beobachten Sie, was Lord Rutherford, Dr. Geiger und Marsden beim Versuch sahen! Klicken Sie auf das Standbild, um die Videoszene ablaufen zu lassen.


VIDEO!!

Makroskopisch zeigt sich, daß in direkter Linie zur Strahlenquelle ein etwas ausgefranster, aber dennoch runder Fleck zu erkennen ist. Er entspricht in etwa der Größe des Austrittslochs im Bleiblock. Ein Großteil der Partikel ändert also seine Flugbahn nicht oder nur sehr wenig. Einige Teilchen werden jedoch in Winkeln bis zu 90° abgelenkt, manche werden auch direkt zur Strahlenquelle reflektiert.
Dabei fand Marsden heraus, daß der Anteil der reflektierten Teilchen proportional zur Dicke der Goldfolie wächst. Er kam zu dem Schluß, daß nur eines von 108 Partikeln einer Weitwinkelstreuung unterliegt. Dies war der erste experimentelle Beweis für eine Atomvorstellung im heutigen Sinne.

Um das Versuchsergebnis zu interpretieren und seine Bedeutung zu verstehen, muß man eine mikroskopische Sichtweise zurate ziehen.

Wenn man annimmt, das Atome kleine Kugeln sind, und man eine Folie herstellen könnte, die aus einer Schicht dieser Kugeln bestünde (also nur eine Atomlage dick wäre), so kann man folgendes Gedankenexperiment machen:

Welches alpha-Teilchen reflektiert wird, unterliegt dem Zufall. Es geschieht jedoch aufgrund einer Kollision mit einem sehr dichten, positiv geladenen Teilchen. Da nur eins von 108 Teilchen dieser Kollision unterliegt, muß der Großteil eines Atom leerer Raum sein. Der größte Teil der Masse von Atomen ist in einem sehr kleinen, positiv geladenen Kern konzentriert, dem Nucleus.
Doch wie groß ist dieser Ort? Wenn er nun 1/2 so groß wäre wie das Atom, so würde jedes zweite Teilchen reflektiert, läge ein Verhältnis von 1 zu 10 vor, so wäre nur jedes 10. Teilchen betroffen. Da nur 1 von 108 Teilchen reflektiert wurde, nahmen die Forscher an, daß ein Atom 108 mal größer ist als der Nucleus. Ein Atom hat somit einen verhältnismäßig größeren Anteil an "leerem Raum" als unsere Galaxie.

So ergibt sich folgendes mikroskopisches Bild vom Rutherfordschen Streuversuch: (klicken Sie auch hier auf das Standbild, um die Videosequenz zu starten)


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Hätte ein Atom die Größe der Erde, so müßte sein Nucleus bzw. Kern so groß sein wie eine Kugel mit einem Radius von 6 m. Ein Atomkern ist außerordentlich dicht. Der Radius eines Protons (Wasserstoffkerns) beträgt ungefähr 10-15 m, und seine Masse ist 1,7*10-27 kg. Daraus ergibt sich ein Volumen von 4*10-45 m3 und eine Dichte von 4*1017 kg/m3. Dies ist eine unvorstellbar große Dichte.
Zum Vergleich: Blei besitzt eine Diche von 11*103 kg/m3.

Und so erzählt Lord Rutherford selber von seinem legendären Experiment:
"In den ersten Tagen hatte ich die Streuung von alpha-Teilchen beobachtet und Dr. Geiger hatte sie in meinem Labor in allen Einzelheiten untersucht. Er fand, daß die Streuung bei dünnen Schichten von Schwermetall gewöhnlich klein war, von der Größenordnung eines Grades.
Eines Tages kam Geiger zu mir und sagte: "Meinen Sie nicht auch, daß der junge Marsden, den ich in radioaktiven Methoden unterrichte, eine kleine Forschungsaufgabe beginnen müßte?" Ich hatte ebenfalls daran gedacht und so sagte ich: "Warum lassen wir Ihn nicht nachsehn, ob irgendwelche alpha-Teilchen in große Winkel gestreut werden können?"
Ich kann Ihnen im Vertrauen sagen, daß ich nicht mehr daran glaubte, daß dies geschehen würde, da wir ja wußten, daß das alpha-Teilchen ein sehr schnelles und massives Teilchen war mit einer großen Energie, und sie konnten zeigen, daß die Chance für die Rückstreuung eines alpha-Teilchens sehr gering war, wenn die Streuung auf der akkumulierten Wirkung einer Anzahl von Kleinwinkel-Streuungen beruhte.
Dann erinnere ich mich, wie Geiger zwei oder drei Tage später in großer Aufregung zu mir kam und sagte: "Es ist uns gelungen, einige alpha-Teilchen zu bekommen, die zurückkamen."

... Es ist so ziemlich das unglaubwürdigste Ereignis, das mir je in meinem Leben passierte. Es war fast genauso unglaublich, als ob Sie eine 38 cm Granate gegen ein Stück Seidenpapier abfeuern, und sie kommt zurück und trifft Sie."

Rutherfords Atommodell, bei dem es einen kleinen, positiven Kern gibt, der von Elektronen umgeben ist, bedeutete einen bemerkenswerten Fortschritt für das Verständnis vom Aufbau der Atome. Es war die Grundlage aller weiteren Überlegungen, die in der Folgezeit angestellt worden sind.


Autor: M. Hecker
Last Updated by Dr. Allwissend on 03.09.1997.
© 1997 by Prof. Dr. Volker Schubert