Rutherfords Atommodell: Geschichte, Experimente, Eigenschaften und Postulate

Das Atommodell von Rutherford ist die Beschreibung des Atoms, das der britische Physiker Ernest Rutherford (1871-1937) geschaffen hat, als er 1911 dank der berühmten Dispersionsexperimente, die seinen Namen tragen, den Atomkern entdeckte.

Die Idee des Atoms (im Griechischen " unteilbar ") als kleinster Bestandteil der Materie war eine geistige Schöpfung, die im antiken Griechenland um 300 v. Chr. Geboren wurde. Wie so viele andere griechische Konzepte basiert auch das Konzept des Atoms auf dieser Idee Logik und Argumentation, aber kein Experimentieren.

Die bemerkenswertesten atomistischen Philosophen waren Demokrit von Abdera (460-360 v. Chr.), Epikur von Samos (341-270 v. Chr.) Und Tito Lucretius (98-54 v. Chr.). Die Griechen stellten sich vier verschiedene Arten von Atomen vor, die den vier Elementen entsprachen, aus denen sie sagten, dass sie Materie darstellten: Luft, Wasser, Erde und Feuer.

Später fügte Aristoteles ein fünftes Element hinzu: den Äther, der die Sterne bildete, da die anderen vier Elemente rein irdisch waren.

Die Eroberungen Alexanders des Großen, dessen Lehrer Aristoteles war, erweiterten seinen Glauben in der Antike von Spanien bis Indien, und so schuf die Idee des Atoms jahrhundertelang einen Platz in der Welt der Wissenschaft.

Das Atom ist nicht mehr unteilbar

Die Vorstellungen der griechischen Philosophen über die Struktur der Materie blieben Jahrhunderte lang erhalten, bis ein Chemiker und Englischlehrer namens John Dalton (1776-1844) 1808 die Ergebnisse seiner Experimente veröffentlichte.

Dalton stimmte zu, dass die Elemente aus extrem kleinen Teilchen bestehen, die Atome genannt werden. Er ging aber noch weiter und stellte fest, dass alle Atome des gleichen Elements gleich sind, die gleiche Größe, die gleiche Masse und die gleichen chemischen Eigenschaften haben, wodurch sie während einer chemischen Reaktion unverändert bleiben.

Dies ist das erste Atommodell mit wissenschaftlicher Grundlage. Wie die Griechen betrachtete Dalton das Atom immer noch als unteilbar, weshalb es an Struktur mangelte. Das Genie von Dalton führte ihn jedoch dazu, eines der großen Prinzipien der Erhaltung der Physik zu beachten:

Bei chemischen Reaktionen werden Atome weder erzeugt noch zerstört, sie verändern nur ihre Verteilung.

Und er legte fest, wie chemische Verbindungen durch die "Verbindungsatome" (Moleküle) gebildet wurden:

Wenn sich zwei oder mehr Atome verschiedener Elemente zu derselben Verbindung verbinden, geschieht dies immer in bestimmten und konstanten Massenanteilen.

Das neunzehnte Jahrhundert war das große Jahrhundert der Elektrizität und des Magnetismus. Einige Jahre nach Daltons Veröffentlichungen haben die Ergebnisse einiger Experimente bei Wissenschaftlern Zweifel an der Unteilbarkeit des Atoms aufkommen lassen.

Crookes Röhre

Die Crookes-Röhre war ein Gerät des britischen Chemikers und Meteorologen William Crookes (1832-1919). Das Experiment, das Crookes 1875 durchführte, bestand darin, zwei Elektroden, eine Kathode und eine Anode, in ein mit Gas gefülltes Rohr mit niedrigem Druck zu legen.

Indem eine Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden festgestellt wurde, leuchtete das Gas mit einer Farbe, die für das verwendete Gas charakteristisch war. Diese Tatsache ließ uns denken, dass es eine bestimmte Organisation innerhalb des Atoms gab und dass es daher nicht unteilbar war.

Zusätzlich erzeugte diese Strahlung eine schwache Fluoreszenz in der Wand der Glasröhre vor der Kathode und schnitt den Schatten einer kreuzförmigen Markierung aus, die sich innerhalb der Röhre befand.

Es war eine mysteriöse Strahlung, bekannt als "Kathodenstrahlen", die geradlinig zur Anode lief, hochenergetisch war, mechanische Effekte hervorrief und auf eine positiv geladene Platte oder auch durch Magnete umgelenkt wurde.

Die Entdeckung des Elektrons

Die Strahlung in der Crookes-Röhre konnte keine Welle sein, da sie negativ geladen war. Joseph John Thomson (1856 - 1940) fand die Antwort 1887, als er die Beziehung zwischen der Ladung und der Masse dieser Strahlung fand und feststellte, dass sie immer gleich war: 1, 76 x 1011 C / kg, unabhängig vom eingeschlossenen Gas in der Röhre oder dem Material, das zur Herstellung der Kathode verwendet wird.

Thomson nannte diese Teilchen Blutkörperchen . Indem er seine Masse im Verhältnis zu seiner elektrischen Ladung maß, schloss er, dass jedes Korpuskel viel kleiner als ein Atom war. Daher schlug er vor, dass sie ein Teil davon sein sollten, um so das Elektron zu entdecken.

Der britische Wissenschaftler zeichnete als erster ein grafisches Modell des Atoms, indem er eine Kugel mit einigen eingefügten Punkten zeichnete, die aufgrund ihrer Form den Namen "Plum Pudding" erhielt. Diese Entdeckung brachte jedoch andere Fragen mit sich:

Wenn die Materie neutral ist und das Elektron eine negative Ladung hat: In welchem Teil des Atoms befindet sich die positive Ladung, die die Elektronen neutralisiert?
Wenn die Masse des Elektrons geringer ist als die des Atoms, was ist dann der Rest des Atoms?
Warum wurden die so erhaltenen Teilchen immer Elektronen und nie von einem anderen Typ?

Rutherford-Streuexperimente: Atomkern und Proton

Bis 1898 hatte Rutherford zwei Arten von Uranstrahlung identifiziert, die er Alpha und Beta nannte .

Natürliche Radioaktivität wurde bereits 1896 von Marie Curie entdeckt. Alpha-Teilchen sind positiv geladen und einfach Heliumkerne, aber das Konzept des Kerns war zu diesem Zeitpunkt noch nicht bekannt. Rutherford wollte es entdecken.

Eines der Experimente, die Rutherford 1911 an der Universität von Manchester mit Unterstützung von Hans Geiger durchführte, bestand darin, ein dünnes Goldblatt mit Alphateilchen zu beschießen, deren Ladung positiv ist. Um die Goldfolie herum platzierte er einen fluoreszierenden Schirm, der es ihnen ermöglichte, die Auswirkungen des Bombenangriffs zu visualisieren.

Beobachtungen

Bei der Untersuchung der Auswirkungen auf den Leuchtschirm stellten Rutherford und seine Assistenten fest, dass:

Ein sehr hoher Prozentsatz der Alpha-Partikel überquerte den Bogen ohne merkliche Abweichung.
Einige weichen in recht steilen Winkeln ab
Und nur sehr wenige prallten vollständig zurück

Die Beobachtungen 2 und 3 überraschten die Forscher und führten sie zu der Annahme, dass derjenige, der für die Streuung der Strahlen verantwortlich ist, eine positive Ladung haben muss und dass diese Person aufgrund der Beobachtung Nr. 1 viel kleiner war als die Alphateilchen. .

Rutherford selbst sagte, es sei "... als würden Sie eine 15-Zoll-Marinepatrone auf ein Blatt Papier schießen und das Projektil prallte zurück und schlug auf Sie ein". Dies konnte mit dem Thompson-Modell definitiv nicht erklärt werden.

Rutherford analysierte seine Ergebnisse aus klassischer Sicht und entdeckte die Existenz des Atomkerns, in dem sich die positive Ladung des Atoms konzentrierte, die ihm seine Neutralität verlieh.

Rutherford fuhr mit seinen Streuexperimenten fort. Bis 1918 waren Stickstoffgasatome das neue Ziel der Alpha-Teilchen.

Auf diese Weise entdeckte er Wasserstoffkerne und wusste sofort, dass der einzige Ort, von dem diese Kerne stammen konnten, Stickstoff selbst war. Wie war es möglich, dass die Wasserstoffkerne Teil des Stickstoffs waren?

Rutherford schlug dann vor, dass der Wasserstoffkern, ein Element, dem die Ordnungszahl 1 bereits zugewiesen worden war, ein grundlegendes Teilchen sein muss. Er nannte es Proton, ein griechisches Wort, das zuerst bezeichnet wurde . So sind die Entdeckungen des Atomkerns und des Protons auf diesen brillanten Neuseeländer zurückzuführen.

Postulate des Rutherford-Atommodells

Das neue Modell war ganz anders als das von Thompson. Dies waren seine Postulate:

Das Atom enthält einen positiv geladenen Kern, der trotz seiner geringen Größe fast die gesamte Masse des Atoms enthält.
Die Elektronen umkreisen den Atomkern in großen Entfernungen und in kreisförmigen oder elliptischen Bahnen.
Die Nettoladung des Atoms ist Null, da die Ladungen der Elektronen die im Kern vorhandene positive Ladung ausgleichen.

Rutherfords Berechnungen wiesen auf einen kugelförmigen Kern und einen Radius von nur 10-15 m hin, wobei der Wert des Atomradius 100.000-mal größer war, da die Kerne vergleichsweise weit voneinander entfernt waren: in der Größenordnung von 10-10 m.

Dies erklärt, warum die meisten Alphateilchen die Folie ohne Unannehmlichkeiten überquerten oder kaum eine sehr kleine Durchbiegung erfuhren.

Auf einer Skala von Alltagsgegenständen würde sich das Atom von Rutherford aus einem Kern von der Größe eines Baseballs zusammensetzen, während der Atomradius etwa 8 km betragen würde.

Aufgrund seiner Ähnlichkeit mit einem Miniatur-Sonnensystem wurde es als "planetares Modell des Atoms" bezeichnet. Die elektrostatische Anziehungskraft zwischen Kern und Elektronen wäre analog zur Gravitationsanziehung zwischen Sonne und Planeten.

Einschränkungen

Es gab jedoch gewisse Meinungsverschiedenheiten in Bezug auf einige beobachtete Fakten:

Wenn wir die Idee akzeptieren, dass das Elektron den Kern umkreist, kann es passieren, dass der Kern kontinuierlich Strahlung abgibt, bis er mit dem Kern kollidiert und das Atom in weniger als einer Sekunde zerstört wird. Dies ist zum Glück nicht das, was tatsächlich passiert.
Außerdem sendet das Atom in bestimmten Fällen bestimmte Frequenzen elektromagnetischer Strahlung aus, wenn zwischen einem Zustand größerer Energie und einem Zustand mit weniger Energie und nur diesen Frequenzen, nicht anderen, Übergängen stattgefunden hat. Wie lässt sich erklären, dass Energie quantisiert wird?

Trotz dieser Einschränkungen gibt es heute viel ausgefeiltere Modelle und nach den beobachteten Tatsachen ist das Atommodell von Rutherford für den Studenten immer noch nützlich, um eine erste erfolgreiche Annäherung an das Atom und seine konstituierenden Teilchen zu erhalten.

In diesem Modell des Atoms erscheint nicht das Neutron, ein weiterer Bestandteil des Kerns, der erst 1932 entdeckt wurde.

Kurz nachdem Rutherford sein Planetenmodell vorgeschlagen hatte, änderte der dänische Physiker Niels Bohr es 1913, um zu erklären, warum das Atom nicht zerstört wird, und wir sind immer noch hier, um diese Geschichte zu erzählen.