Transcript Wilhelm - Heinrich - Riehl - Kolleg Landeshauptstadt Düsseldorf Sie brauchen nicht schreiben. Es liegt ein Skript vor! Der zweite Bildungsweg Grundkenntnisse für Biologiekurse Teil 9 Hergestellt.

Wilhelm - Heinrich - Riehl - Kolleg
Landeshauptstadt Düsseldorf
Sie brauchen nicht schreiben.
Es liegt ein Skript vor!
Der zweite Bildungsweg
Grundkenntnisse für Biologiekurse
Teil 9
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© Wilhelm-Heinrich-Riehl-Kolleg - www.riehl-kolleg.de - Düsseldorf 2009 - Alle Rechte vorbehalten. - Gestaltung und Inhalt: Richard Fischer
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Wiederholung:
Das Atommodell von Thomson (1903)
Thomson wusste schon, dass ...
• Atome nach außen hin elektrisch neutral sind.
• Atome einen Durchmesser von etwa 10
- 10
m besitzen.
• die Hauptmasse des Atoms positiv geladen ist, während die
negativ geladenen Elektronen fast keine Masse besitzen.
Seine Annahme: Atome bestehen aus einer überall gleichmäßig verteilten, positiv geladenen Masse. In diese Masse
sind die negativ geladenen Elektronen lose eingebettet.
positiv geladenes
Kügelchen
Diese Annahme Thomsons überprüfte
Rutherford durch ein Experiment.
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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).
Bleiblock
mit Kanal
radioaktiver Stoff
(Radiumchlorid)
3. Film
• Die Teilchen sind sehr leicht im
Vergleich zum Goldatom.
• Jedes Teilchen trägt zwei positive
Ladungen (Goldatome 79).
• Die Teilchen bewegen sich mit sehr
hoher Geschwindigkeit (ca. 15.000
km/s).
Treffen α-Strahlen auf einen Film, so belichten
sie ihn.
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Der Streuversuch von Rutherford (1911)
fotografischer Film
Erwartung
Belichtung, wenn
α-Teilchen auftrifft!
evakuierte
Apparatur
extrem dünne
Goldfolie einbringen
strahlt α-Teilchen ab
2+
(= Heliumkerne = He )
radioaktiver Stoff
(Radiumchlorid)
Bleiblock
mit Kanal
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.
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Der Streuversuch von Rutherford (1911)
erwartungsgemäß: schwache Ablenkung
nicht erwartungsgemäß:
starke Ablenkung
nicht erwartungsgemäß:
Rückstreuung (= Reflexion)
strahlt α-Teilchen ab
2+
(= Heliumkerne = He )
jedoch: Beobachtung
Die genaue Auswertung zeigt:
• sehr oft: schwache Ablenkung
radioaktiver Stoff
(Radiumchlorid)
Bleiblock
mit Kanal
• sehr selten: starke Ablenkung
• extrem selten: Rückstreuung
(= Reflexion)
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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.
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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, während die 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 schwach abgelenkt (= 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)
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Verdeutlichung
Kanalöffnung
Goldfolie
ca. 2000
Atomlagen
α-Teilchen
2+
= He
schwache
Ablenkung
starke
Ablenkung
Rückstreuung
(= Reflexion)
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Verdeutlichung
• sehr oft: schwache Ablenkung
Die fast masselosen Elektronen haben kaum
einen Einfluss auf die viel schwereren αTeilchen, 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 αTeilchen (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 αTeilchen direkt auf den Kern zufliegt. Die
Abstoßungskräfte sind dann maximal und
es erfolgt eine Rückstreuung (= Reflexion).
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Resultierende Größen- und Massenverhältnisse
Die schwierige rechnerische Auswertung des Streuversuchs ergab:
Atomdurchmesser = ca. 10
- 10
m
Kerndurchmesser = ca. 10
- 14
m
• 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 Atomdurchmessers auf 10m
Veranschaulichung
positiv geladener
Kern
Der Kerndurchmesser
beträgt dann ca. 1mm!
negativ geladene
Elektronenhülle
Der Kern enthält
aber ca. 99,9%
der Atommasse!
10m
Eingang Riehl-Kolleg
Goldatom
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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
79
Au
= Protonenanzahl
Kernladungszahl = 79
Das Goldatom besitzt 79
positive und 79 negative
Elementarladungen.
Ordnungszahl
= Kernladungszahl
Elektronenanzahl = 79
Goldatom
Das Au-Atom ist
elektrisch neutral!
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Ende
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