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1 Wilhelm - Heinrich - Riehl - Kolleg Landeshauptstadt Düsseldorf Teil 9 © Wilhelm-Heinrich-Riehl-Kolleg - www.riehl-kolleg.de - Düsseldorf 2009 - Alle.

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1 1 Wilhelm - Heinrich - Riehl - Kolleg Landeshauptstadt Düsseldorf Teil 9 © Wilhelm-Heinrich-Riehl-Kolleg - - Düsseldorf Alle Rechte vorbehalten. - Gestaltung und Inhalt: Richard Fischer Hergestellt mit Microsoft Office PowerPoint Bildschirmauflösung 1024 x 768 Pixel Der zweite Bildungsweg Grundkenntnisse für Biologiekurse Sie brauchen nicht schreiben. Es liegt ein Skript vor!

2 2 Wiederholung: Seine Annahme: Atome bestehen aus einer überall gleich- mäßig verteilten, positiv geladenen Masse. In diese Masse sind die negativ geladenen Elektronen lose eingebettet. Diese Annahme Thomsons überprüfte Rutherford durch ein Experiment. positiv geladenes Kügelchen Thomson wusste schon, dass... Das Atommodell von Thomson (1903) Atome nach außen hin elektrisch neutral sind. Atome einen Durchmesser von etwa besitzen. 10 m - 10 die Hauptmasse des Atoms positiv geladen ist, während die negativ geladenen Elektronen fast keine Masse besitzen.

3 3 Dazu verwendete er Goldfolie 2. α-Strahlen 3. Film Die Goldfolie wurde durch Auswalzen hergestellt und war extrem dünn, nur etwa 2000 Atomlagen. α-Strahlen werden frei, wenn das Element Radium zerfällt. Bleiblock mit Kanal radioaktiver Stoff (Radiumchlorid) Die Teilchen bewegen sich mit sehr hoher Geschwindigkeit (ca km/s). Jedes Teilchen trägt zwei positive Ladungen (Goldatome 79). Die Teilchen sind sehr leicht im Vergleich zum Goldatom. Treffen α-Strahlen auf einen Film, so belichten sie ihn. Eigenschaften der α-Strahlen: Sie bestehen aus extrem kleinen Teilchen (= Heliumkernen).

4 4 fotografischer Film radioaktiver Stoff (Radiumchlorid) Bleiblock mit Kanal extrem dünne Goldfolie einbringen Belichtung, wenn α-Teilchen auftrifft! Erwartung strahlt α-Teilchen ab (= Heliumkerne = ) He 2+ evakuierte Apparatur Der Streuversuch von Rutherford (1911) 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.

5 5 jedoch: Beobachtung erwartungsgemäß: schwache Ablenkung nicht erwartungsgemäß: starke Ablenkung nicht erwartungsgemäß: Rückstreuung (= Reflexion) sehr oft: schwache Ablenkung Die genaue Auswertung zeigt: extrem selten: Rückstreuung (= Reflexion) sehr selten: starke Ablenkung strahlt α-Teilchen ab (= Heliumkerne = ) He 2+ radioaktiver Stoff (Radiumchlorid) Bleiblock mit Kanal Der Streuversuch von Rutherford (1911)

6 6 Rückstreuung (= Reflexion) α-Teilchen belichten den Film schwache Ablenkung starke Ablenkung 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. Film In Wirklichkeit wird von etwa α-Teilchen nur eines stark abgelenkt oder reflektiert! Filmauswertung

7 7 Welche Folgerungen ergeben sich? 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. 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. Da dies nur extrem selten zu beobachten war, musste sich die dafür verantwortliche Masse auf einen extrem keinen Raum konzentrieren. α-Teilchen, die dieser konzentrierten, positiv geladenen Masse sehr nahe kamen, wurden elektrostatisch abgestoßen und in ihrer Flugbahn stark abgelenkt. 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. Goldatome bestehen also aus einer riesigen, fast massenlosen, negativ geladenen Elektronenhülle und einem winzigen, positiv geladenen Kern mit großer Masse. Rutherfordsches Atommodell (1911)

8 8 Goldfolie ca Atomlagen α-Teilchen = He 2+ Verdeutlichung Kanalöffnung Rückstreuung (= Reflexion) starke Ablenkung schwache Ablenkung

9 9 sehr oft: schwache Ablenkung sehr selten: starke Ablenkung extrem selten: Rückstreuung Verdeutlichung Die fast masselosen Elektronen haben kaum einen Einfluss auf die viel schwereren α- Teilchen, die mit großer Geschwindigkeit durch die Goldfolie fliegen. Da die Elektronenhülle fast das gesamte Atom ausmacht, ist die schwache Ablenkung sehr oft zu beobachten. Je näher aber ein positiv geladenes α- Teilchen (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. Wegen der winzigen Größe des Kerns kommt es extrem selten vor, dass ein α- Teilchen direkt auf den Kern zufliegt. Die Abstoßungskräfte sind dann maximal und es erfolgt eine Rückstreuung (= Reflexion).

10 10 Der Atomdurchmesser ist im Vergleich zum Kerndurchmesser riesig. Das gesamte Atom ist ca mal größer als der Kern. Atomdurchmesser = ca.10 m - 10 Resultierende Größen- und Massenverhältnisse Eingang Riehl-Kolleg 10m Vergrößerung des Atom- durchmessers auf 10m Der Kerndurchmesser beträgt dann ca. 1mm! Veranschaulichung Der Kern enthält aber ca. 99,9% der Atommasse! Die schwierige rechnerische Auswertung des Streuversuchs ergab: Mit den Massen verhält es sich umgekehrt. Fast die gesamte Masse des Atoms, nämlich ca. 99,9%, entfällt auf den Kern. Kerndurchmesser = ca.10 m - 14 Goldatom negativ geladene Elektronenhülle positiv geladener Kern

11 11 Erst Rutherford stellte 1919 fest, dass die Protonen die positive Ladung des Kerns bewirken. Es gilt: Kernladungszahl = Protonenanzahl! Ergänzung 1911 war noch nicht bekannt, dass die Protonen für die positive Kernladung verantwortlich sind. 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! Moseley entdecke 1913/14, dass die Ordnungszahl von der Kernladungszahl bestimmt wird. Also: 0rdnungszahl = Kernladungszahl! Ordnungszahl Das Au-Atom ist elektrisch neutral! = Protonenanzahl Au 79 Das Goldatom besitzt 79 positive und 79 negative Elementarladungen. Elektronen- anzahl = 79 Kernladungs- zahl = 79 Elementsymbol = Kernladungszahl Goldatom

12 12 Ende


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