Der RUTHERFORDsche Streu-Versuch [1] Rutherfordscher Streuversuch [2] Sir Ernest Rutherford Stand 19.09.2018

Legende Auf der Rückseite gibt es eine Tipp (Hilfe). „Gut gemacht“ oder „Lösung“. Arbeits-Auftrag und Hinweis zum Notieren.

Mit dieser Kiste solltest du folgendes tun: Lies die folgende Bilder-Geschichte. Ergänze immer, wenn dieses Männchen erscheint, den Eintrag in deinem Labor-Tagebuch unter dem Titel „Ein neues Atom-Modell entsteht“. Überlege und notiere unter „Grenzen“, welche dir bekannten Phänomene mit dem jeweiligen Atom-Modell nicht erklärt werden können.

Bilder-Geschichte Teil 1 von 4 Ernest Rutherford sitzt mal wieder in seinem Labor an der University of Manchester und grübelt über einem Problem, das ihn einfach nicht los lässt. Irgendwann zu Beginn des 20. Jh. Diese verdammten Atome! Irgendwie komme ich mit den Erklärungen nicht weiter. Diese ganzen Modelle passen nicht! [3] Ernest Rutherford at McGill, 1905 Am besten gehe ich systematisch vor! [2] Sir Ernest Rutherford

Bilder-Geschichte Teil 2 von 4 Alle diese Fakten weiß ich von: Dalton: er zeigte 1803 über Experimente, dass es Teilchen geben muss. Demokrit: 400 v. Chr. folgerte er durch Nachdenken, dass es Teilchen geben muss. Lavoisier: er konnte ab 1765 Elemente von Verbindungen unterscheiden. [4] Demokrit [5] John Dalton [6] Antoine Lavoisier [2] Sir Ernest Rutherford

Aufgabe Erinnere dich an die Atom-Vorstellung von John Dalton. Notiere wesentliche Aussagen und Grenzen in deinem Labor-Tagebuch. Wenn dir die Einzelheiten nicht mehr einfallen wollen, hilft dir die nächste Karte weiter. Sonst lies die Bilder-Geschichte weiter.

Atom-Model nach John Dalton Inhalte: Atome sind die Bausteine aller Stoffe. Atome sind unzerstörbar. Es gibt so viele Atom-Sorten wie Elemente. Atome verschiedener Elemente unterscheiden sich in ihrer Größe und Masse. Chemische Reaktion bedeutet Neu-Ordnung der Atome. Grenzen: Erklärt nicht den Zusammenhalt der Atome im Molekül. Erklärt nicht die Radio-Aktivität. Erklärt nicht die Bildung von Ionen. Lies die Bilder-Geschichte weiter.

Bilder-Geschichte Teil 3 von 4 Das ist mein Bild von einem Atom: da es nach außen elektrisch neutral ist, muss es aus einer positiv geladenen Grundmasse bestehen, in die die negativ geladenen Elektronen eingebettet sind. Außer für Elektronen ist diese Masse undurchdringlich. Ende des 19. Jh. folgen noch weitere wichtige Erkenntnisse: Mir, Joseph John Thomson, gelang es, das Elektron experimentell nachzuweisen. Elektronen sind kleine, fast masselose, einfach negativ geladene Teilchen, die am Aufbau des Atoms beteiligt sind. Die Elektronen können aus dem Atom entfernt werden. Daher erlaube ich mir im Jahr 1903 mein Atommodell, das Plumpudding-Modell, oder „Rosinenkuchenmodell“, wie ihr Deutschen sagt, vorzustellen. [7] Joseph John Thomson +

Aufgabe Fasse die Atom-Vorstellung von Joseph Thomson zusammen. Notiere wesentliche Aussagen und Grenzen in deinem Labor-Tagebuch. Du kannst mit der nächsten Karte kontrollieren, ob du Alle Aussagen erfasst und die Grenzen erkannt hast. Lies dann die Bilder-Geschichte weiter.

Plumpudding-Modell nach Joseph Thomson Inhalte: Atome sind nicht unteilbar, da negativ geladene Partikel (Elektronen e-) von ihnen weggerissen werden können. Elektronen haben immer die gleiche Ladung und Masse, unabhängig von der Atom-Art. In einer positiv geladenen Grund-Masse sind die Elektronen eingebettet. Die Grund-Masse ist nur für Elektronen durchlässig. Grenzen: Ergibt KEIN stabiles Atom. Erklärt nicht, wie sich Atome zu Verbindungen zusammen finden. Lies die Bilder-Geschichte weiter.

Bilder-Geschichte Teil 4 von 4 Das ist nun das Experiment, mit dem ich das Plumpudding-Modell überprüfen möchte: [2] Sir Ernest Rutherford Mit diesem Wissen kann ich mir jetzt ein Experiment überlegen, das mir hilft, ein Atommodell zu erstellen. [3] Ernest Rutherford at McGill, 1905 Mein erster Schritt ist es, die Richtigkeit des jetzt gültigen Plumpudding-Modells mit einem Experiment nachzuweisen. Schirm der auftreffende α-Teilchen sichtbar macht Bleiblock Radium, sendet α-Strahlen aus Goldfolie

Aufgabe 2: So sieht… …ein Nachbau der Versuchs-Apparatur, eigentlich von Hans Geiger und Ernest Marsden gebaut, aus. [1] Rutherfordscher Streuversuch

Der Rutherfordsche Streu-Versuch: Aufgabe 2: Einführung Der Rutherfordsche Streu-Versuch: Vergleiche diese Beschreibung mit der Abbildung auf der folgenden Seite: In einem Blei-Block (1) befindet sich eine Quelle für α-Teilchen (2). Die Teilchen treffen auf eine sehr, sehr dünne Gold-Folie (3). Das Mikroskop (4) ist im Kreis beweglich. Davor ist ein Detektor-Schirm (5) fest gemacht. Das ist eine mit Zinksulfid beschichtete Platte, die beim Auftreffen eines Teilchens einen Licht-Blitz aussendet. Diese Licht-Blitze kann man mit Hilfe eines Mikroskops beobachten und zählen. Die Apparatur ist innen (6) luftleer.

Aufgabe 2 Hier siehst du die Versuchs-Kammer, links ein Schnitt durch die Apparatur aus der Abbildung von S23. Der schwarze Teil ist drehbar. Rechts eine vereinfachte Skizze. Benenne die Einzel-Teile der Apparatur mit Hilfe des Textes der vorausgehenden Seite. Übertrage die Skizze rechts mit Beschriftung in dein Labor-Tagebuch.

So könnte dein Eintrag aussehen: 1 Bleiblock mit Schlitz 2 α-Strahler, sendet 2-fach positiv geladenen Teilchen aus 3 Dünne Goldfolie 4 Mikroskop 5 Detektorplatte 6 Luftleerer Versuchsraum 1 2 3 4 5 6

Rutherfords Auswertung Die Apparatur-Version unten wurde verwendet, um Licht-Blitze aufzuzeichnen. Der Detektor hat die Form eines langen Bandes, an das man von hinten einen Foto-Streifen befestigte. Der Foto-Streifen sah so aus (schwarze Flecken markieren die Treffer der α-Teilchen): Nachgezeichnet:

Aufgabe 3 Mit dem Streu-Versuch will Rutherford wissen, ob Thomsons Modell Atome richtig beschreibt. Überlege dir, welches Versuchs-Ergebnis Rutherford hätte erhalten müssen, wenn er positiv geladene Teilchen (α-Strahlen) auf eine Atom-Schicht aus lauter Thomson-Atomen geschossen hätte. Zeichne das Ergebnis deiner Überlegung in dein Labor-Tagebuch.

Kontrolliere dein Ergebnis. Dieses Ergebnis müsste Rutherford sehen, wenn Thomsons Modell stimmen würde: alle Teilchen werden zurückgeworfen. Filmstreifen Zur Erinnerung das tatsächliche Versuchs-Ergebnis:

Aufgabe 4 Stelle aus dem Material in der Kiste den Rutherfordschen Streu-Versuch nach. Ersetze den α-Strahler im Blei-Block durch die Taschen-Lampe mit dem schwarzen Trink-Halm und bündele ihr licht möglichst genau auf eine Stelle der Folie. Ersetze die Gold-Folie nacheinander erst durch eine spiegelnde Alu-Folie, dann eine milchige Kunststoff-Folie, schließlich durch die Glas-Platte. Das Glas-Gefäß mit dem Papier-Streifen stellt die evakuierte Reaktions-Kammer dar. Teste, wie sich der Licht-Strahl verhält, wenn du die drei verschiedenen Folien einsetzt.

Aufgabe 5.1 Vergleiche dein Versuchs-Ergebnis mit dem von Rutherford. Fasse die wichtigsten Ergebnisse im Labor-Tagebuch zusammen.

Aufgabe 5.1 Beurteile nun, inwieweit die Ergebnisse Thomsons Modell bestätigen (oder eben nicht).

Die wichtigsten Ergebnisse des Versuchs: Die meisten α-Teilchen gehen glatt durch die Gold-Folie hindurch (wie bei der milchigen Kunststoff-Folie). Einige α-Teilchen werden abgelenkt. Wenige α-Teilchen werden zurück geworfen. Die Ergebnisse lassen sich nicht mit den Befunden aus dem Modell mit der zurückwerfenden Alu-Folie oder dem völlig durchdringbaren Glas erklären. Daraus schließen wir, dass Thomsons Modell Atome nicht richtig beschreibt.

Aufgabe 6.1 Überlege, welche Änderungen an Thomsons Modell vorgenommen werden müssten, damit es den Befunden entspricht. Zeichne die Ladungs-Verteilung in dein Labor-Tagebuch.

Wenn ein α-Teilchen die Atome der Gold-Folie durchdringt, dann kann dort nur leerer Raum sein. Wenn ein α-Teilchen abgelenkt wird, dann ist dort ein Hindernis.

Je mehr α-Teilchen die Gold-Folie durchdringen, desto mehr leerer Raum muss da sein, desto kleiner sind die „Hindernisse“. Zusatz-Info: Das Hindernis muss… …im Verhältnis zum α-Teilchen ziemlich groß sein (sonst könnte keines zurückgeworfen werden), …im Verhältnis zum Atom aber sehr klein sein (sonst dürften nicht so viele durch kommen).

Skizze eines Atoms nach dem Kern-Hülle-Modell: Atom-Kern Atom-Hülle

Aufgabe 6.2 Beschreibe mit den Erkenntnissen aus dem Versuch das Kern-Hülle-Modell nach Rutherford in möglichst wenigen Sätzen. Notiere diese in dein Labor-Tagebuch.

Der größte Teil des Atoms besteht aus leerem Raum Der größte Teil des Atoms besteht aus leerem Raum. Das ist die Atom-Hülle mit den fast masselosen Elektronen. Im Zentrum des Atoms liegt ein Bestandteil mit viel Masse: der Atom-Kern.

Der Prototyp des Atom-Modells steht! HURRA!!! Der Prototyp des Atom-Modells steht! ABER… …lass uns noch weiter denken.

Aufgabe 7 Du weißt schon: Positiv geladene α-Teilchen werden vom Kern zurück geworfen. Elektronen haben eine negative Ladung. Elektronen haben eine sehr, sehr geringe Masse. Da Stoffe aber eine Masse haben und aus Atomen bestehen, müssen Atome eine Masse haben, die nicht so gering ist. Atome haben insgesamt keine Ladung. Auf den ersten Blick sieht es so aus, als ob die Fakten ziemlich widersprüchlich sind. Versuche durch Überlegen die Fakten so zusammen zu bringen, dass es keine Widersprüche mehr gibt. Eine Bleistift-Skizze im Labor-Tagebuch könnte helfen.

Beachte besonders die Fakten-Pärchen 2 und 5 sowie 3 und 4.

Der Atom-Kern muss folgende Eigenschaften haben: positive Ladung, da er… …die ebenfalls positiven α-Teilchen abstößt, und …die negative Ladung der Elektronen insgesamt aufheben muss; hohe Masse, da sie nicht von den Elektronen kommen kann.

Aufgabe 8 Fasse nun die Ergebnisse von Ernest Rutherford zu einem Atom-Modell zusammen. Notiere wesentliche Aussagen und Grenzen in dein Labor-Tagebuch. Du kannst mit der nächsten Karte kontrollieren, ob du alle Aussagen erfasst und die Grenzen erkannt hast. Dann ist diese Lern-Einheit abgeschlossen.

Das Kern-Hülle-Modell nach Ernest Rutherford Inhalte: Der Atom-Kern ist ein Masse-Zentrum mit positiver Ladung. Die Atom-Hülle enthält Elektronen, die sich um den Kern bewegen. Zwischen Kern und Hülle ist leerer Raum. Elementar-Teilchen: Proton: einfach positiv geladen; m=1u (Neutron: ungeladen; m=1u; Rutherford kannte es noch nicht.) Elektron: einfach negativ geladen; m~klein Grenzen: Erklärt nicht, wie der Aufenthalts-Raum der Elektronen aussieht.

Zusatz-Fragen für die, denen diese Art zu lernen Freude bereitet: Begründe, wieso sich Elektronen aus dem Atom abspalten lassen. Nenne die Ursache dafür, das Rutherford mit einer evakuierten Kammer arbeiten musste.

Der Atom-Kern zieht die sich schnell bewegenden Elektronen durch seine positive Ladung an. Da die Elektronen aber doch weit vom Kern entfernt sein müssen, ist es möglich, die Anziehungs-Kraft zu überwinden. Die Kammer ist zunächst mit Luft gefüllt. Luft ist ein Stoff-Gemisch aus verschiedenen Gasen, die selber auch aus Atomen bzw. Molekülen bestehen. Entfernt man die Luft nicht, können die α-Teilchen mit den Luft-Teilchen zusammenstoßen und gar nicht bis zur Gold-Folie vordringen.

Bitte die Modell-Teile in die dafür vorgesehenen Stellen in der Kiste einräumen.

Diese Anleitung wurde gefertigt von Ulrike Borken, Stefanie Schwind und Birgit Turowski. Im Rahmen des AK Selbst Organisiertes Lernen (SOL) in der Abteilung für Didaktik der Chemie an der Universität Bayreuth. Bildernachweis: [1]: http://www.aequivalent.de/html/schuler.htm; Urheber: Holger Knopf, Stand 13.06.2016 [2]: http://loc.gov/pictures/resource/ggbain.36570/; Stand 17.06.2016 [3]: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ernest_Rutherford_1905.jpg?uselang=de; Unknown, published in 1939 in Rutherford : being the life and letters of the Rt. Hon. Lord Rutherford, O. M; Stand 13.06.2016 [4]: http://www.phil-fak.uni-duesseldorf.de/philo/galerie/antike/demokrit.html; Stand 13.06.2016 [5]: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:John_Dalton.jpeg?uselang=de; Urheber: Joseph Allen; Stand 13.06.2016 [6]: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Antoine_lavoisier_color.jpg?uselang=de; Urheber: Louis Jean Desire Delaistre, after Boilly; Stand 13.06.2016 [7]: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Jj-thomson2.jpg?uselang=de; Stand 13.06.2016 Alle weiteren Bilder und Graphiken wurden in der Abteilung Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth erstellt.