Rutherford Atommodell

Wenn du an ein Atom denkst, stellst du dir vielleicht eine kleine Kugel vor. Rutherford zeigte: Dieses Bild reicht nicht, denn ein Atom hat innen eine klare Struktur.

Nach dieser Seite kannst du erklären, wie der Streuversuch aufgebaut war, warum seine Beobachtungen überraschend waren und was daraus für den Aufbau von Atomen folgt.

Deine Lernziele

• Ich kann den Rutherfordschen Streuversuch in eigenen Worten beschreiben.
• Ich kann die wichtigsten Beobachtungen des Versuchs deuten.
• Ich kann das Kern-Hülle-Modell nach Rutherford erklären.
• Ich kann das Rutherford-Atommodell vom Thomson-Modell unterscheiden.
• Ich kann Grenzen des Rutherford-Atommodells nennen.

Warum ein neues Atommodell?

Ein Atommodell ist eine vereinfachte Vorstellung vom Aufbau eines Atoms. Modelle sind in der Chemie wichtig, weil Atome zu klein sind, um sie direkt mit den Augen zu sehen.

Definition

Atommodell

Ein Atommodell beschreibt, wie ein Atom aufgebaut sein könnte. Es ist kein Foto, sondern eine Deutung von Experimenten. Ein gutes Modell erklärt Beobachtungen und kann durch neue Experimente verbessert oder ersetzt werden.

Vor Rutherford war das Thomson-Modell verbreitet. Danach sollte die positive Ladung im ganzen Atom verteilt sein. Die negativen Elektronen sollten darin eingebettet sein. Man kann sich das grob wie Rosinen in einem Kuchen vorstellen: überall etwas positive Ladung, dazwischen Elektronen.

Wenn dieses Bild stimmen würde, dürfte ein schnelles positiv geladenes Teilchen beim Durchgang durch eine dünne Metallfolie höchstens leicht gestört werden. Eine starke Ablenkung wäre kaum zu erwarten, weil die positive Ladung nicht an einem kleinen Ort konzentriert wäre.

Beispiel

Stell dir zwei Hindernisse vor:

1. Eine weiche, breite Wolke verteilt einen Stoß auf viel Raum.
2. Eine winzige, sehr harte Kugel konzentriert den Stoß auf einen Punkt.

Trifft ein schnelles Teilchen auf die Wolke, wird es kaum zurückgeworfen. Kommt es aber sehr nah an die harte Kugel, kann es stark abgelenkt werden. Genau diese Unterscheidung wird im Streuversuch wichtig.

Merke

Ein Atommodell gilt nur so lange, wie es die Experimente gut erklärt.

Rutherfords Streuversuch

Rutherford untersuchte den Atomaufbau nicht direkt mit einem Mikroskop. Stattdessen ließ er schnelle Teilchen auf eine sehr dünne Metallfolie treffen und beobachtete, wohin sie danach flogen.

Definition

Alphateilchen

Ein Alphateilchen ist ein positiv geladenes Teilchen aus zwei Protonen und zwei Neutronen. Es ist also der Kern eines Heliumatoms ohne Elektronen. Für den Streuversuch ist wichtig: Es ist positiv geladen und deutlich schwerer als ein Elektron.

Beim Versuch wurden Alphateilchen auf eine sehr dünne Goldfolie geschossen. Um die Folie herum befand sich ein Leuchtschirm. Traf ein Alphateilchen auf den Schirm, wurde ein kleiner Lichtpunkt sichtbar. So konnte man erkennen, ob das Teilchen geradeaus flog, leicht abgelenkt wurde oder sogar zurückkam.

Definition

Streuversuch

Ein Streuversuch prüft, wie Teilchen nach dem Zusammenstoß oder Vorbeiflug an einem Stoff weiterfliegen. Aus der Ablenkung kann man auf den inneren Aufbau des Stoffes schließen.

Die Erwartung war: Fast alle Alphateilchen sollten gerade durch die Goldfolie gehen. Das passierte auch. Aber einige wenige Teilchen wurden stark abgelenkt oder sogar zurückgestreut. Gerade diese seltenen Treffer waren der entscheidende Hinweis.

Beispiel

So kannst du die Beobachtung lesen:

• Die meisten Alphateilchen fliegen geradeaus. Also muss im Atom sehr viel leerer Raum sein.
• Manche Alphateilchen werden etwas abgelenkt. Also kommen sie in die Nähe einer positiven Ladung.
• Sehr wenige Alphateilchen werden stark zurückgestoßen. Also muss die positive Ladung an einem sehr kleinen Ort stark konzentriert sein.

Die seltene starke Ablenkung ist wichtiger als die große Zahl der geraden Treffer, weil sie das alte Modell nicht erklären konnte.

Vom Ergebnis zum Kern-Hülle-Modell

Aus den Flugbahnen leitete Rutherford ab: Das Atom ist nicht gleichmäßig gefüllt. Es besitzt einen winzigen schweren Mittelpunkt und außen eine große, leichte Hülle.

Definition

Atomkern

Der Atomkern ist der sehr kleine, positiv geladene Bereich in der Mitte eines Atoms. In ihm steckt fast die gesamte Masse des Atoms.

Definition

Atomhülle

Die Atomhülle ist der viel größere Bereich um den Atomkern. Dort befinden sich die negativ geladenen Elektronen. Im Vergleich zum Kern trägt die Hülle nur sehr wenig zur Masse bei.

Der wichtigste Gedanke lautet: Gleichnamige elektrische Ladungen stoßen sich ab. Ein Alphateilchen ist positiv geladen. Kommt es nah an den positiven Atomkern, wird es abgestoßen und dadurch abgelenkt.

Beispiel

Ordne die Beobachtung der Schlussfolgerung zu:

Beobachtung	Schlussfolgerung
Fast alle Alphateilchen fliegen geradeaus.	Die Atomhülle ist größtenteils leerer Raum.
Einige Teilchen werden leicht abgelenkt.	Sie fliegen in der Nähe eines positiven Kerns vorbei.
Sehr wenige Teilchen werden stark zurückgestreut.	Fast die ganze positive Ladung und Masse sitzt in einem winzigen Kern.

Du gehst also nicht vom Modell zur Beobachtung, sondern von der Beobachtung zum Modell.

Merke

Viel Durchgang bedeutet: viel leerer Raum. Seltene starke Ablenkung bedeutet: kleiner, massereicher, positiver Kern.

Was Rutherford erklären konnte

Das Rutherford-Atommodell wird auch Kern-Hülle-Modell genannt. Es erklärt, warum ein Atom nach außen neutral sein kann und trotzdem innen verschieden geladene Bereiche besitzt.

Definition

Kern-Hülle-Modell

Das Kern-Hülle-Modell beschreibt ein Atom mit einem kleinen positiven Kern und einer großen negativen Elektronenhülle. Die positiven und negativen Ladungen gleichen sich beim neutralen Atom insgesamt aus.

Für die Chemie ist dieses Modell ein großer Schritt. Es trennt den Atomkern von der Elektronenhülle. Damit kann man später besser verstehen, warum chemische Eigenschaften vor allem mit den Elektronen der Hülle zusammenhängen.

Beispiel

Ein neutrales Atom ist nach außen ungeladen. Das heißt nicht, dass es innen keine Ladungen gibt.

Beispielhafte Deutung:

• Im Kern sitzen positive Ladungen.
• In der Hülle befinden sich negative Elektronen.
• Sind beide Ladungsmengen insgesamt gleich groß, wirkt das Atom nach außen neutral.

Das ist wie bei einem Konto mit Einnahmen und Ausgaben: Einzelne Posten sind nicht null, aber die Summe kann ausgeglichen sein.

Gut zu wissen

Rutherford formulierte sein Modell 1911. Der Streuversuch wurde kurz vorher von Hans Geiger und Ernest Marsden in Rutherfords Arbeitsgruppe durchgeführt. Das Modell war nicht das Ende der Atommodelle, aber es war die Grundlage für spätere Modelle wie das Bohrsche Atommodell.

Grenzen und Prüfungsmodus

Rutherfords Modell erklärt den inneren Aufbau besser als das Thomson-Modell. Trotzdem bleibt es unvollständig. Ein Modell kann also zugleich ein Fortschritt sein und noch offene Fragen lassen.

Definition

Spektrallinien

Spektrallinien sind bestimmte Farben oder Wellenlängen, die ein Stoff aussendet oder aufnimmt. Jedes Element zeigt dabei ein charakteristisches Muster.

Das Rutherford-Modell sagt nicht genau, wie die Elektronen in der Hülle angeordnet sind. Es erklärt auch nicht, warum die Elektronen nicht einfach vom positiven Kern angezogen werden und in den Kern stürzen. Außerdem kann es die Spektrallinien der Elemente nicht deuten.

Beispiel

Typische Prüfungsfrage: "Nenne zwei Grenzen des Rutherford-Atommodells."

Eine starke Antwort wäre:

1. Das Modell erklärt nicht die Stabilität der Elektronenhülle.
2. Das Modell erklärt nicht die charakteristischen Spektrallinien der Elemente.

Eine schwache Antwort wäre: "Das Modell ist falsch." Das ist zu ungenau. Besser ist: Es erklärt wichtige Beobachtungen, aber nicht alle.

Prüfungsmodus

Bei Aufgaben zum Rutherford-Atommodell geht es selten nur um Auswendiglernen. Du sollst oft eine Beobachtung deuten oder ein falsches Modell erkennen.

Alles auf einen Blick

Abschluss-Check

Jetzt prüfst du, ob du das Modell auf neue Situationen übertragen kannst.

Zusammenfassung

Rutherford nutzte den Streuversuch, um aus den Flugbahnen von Alphateilchen auf den inneren Aufbau von Atomen zu schließen. Die meisten Teilchen gingen gerade durch die Goldfolie, aber wenige wurden stark abgelenkt oder zurückgestreut.

Daraus folgte das Kern-Hülle-Modell: Im sehr kleinen, positiv geladenen Atomkern steckt fast die gesamte Masse. Die Atomhülle ist viel größer, enthält die Elektronen und ist größtenteils leerer Raum.

Das Modell erklärt den Unterschied zwischen Kern und Hülle und ist ein wichtiger Schritt für die Chemie. Es erklärt aber noch nicht, warum die Elektronen stabil bleiben und warum Elemente bestimmte Spektrallinien zeigen.