KERNPHYSIK

1. Atommodelle 2. Kernaufbau 3. Kernkräfte 4. Radioaktiver Zerfall

Atommodelle

Atommodelle

Atommodelle

Rutherford Im späten 19. Jahrhundert schienen in der Physik alle wichtigen Gesetze gefunden zu sein. Thermodynamik, statistische Mechanik und die elektromagnetische Theorie verzeichneten so große Erfolge bei der Erklärung des Verhaltens der Materie, daß der Physiker A. A. Michelson sagte: "Unsere zukünftigen Entdeckungen müssen wir in der sechsten Dezimalstelle suchen".

Rutherford Dann wurden Röntgenstrahlen und Radioaktivität entdeckt. Die Radioaktivität war für die Physiker der damaligen Epoche ein großer Schock, kann sie doch nur entstehen, wenn Atome nicht unteilbar sind, sondern zerfallen und sich in andere Atomarten spalten. Mit den alpha-Teilchen, einer der drei radioaktiven Strahlungsarten, hängt der Niedergang des damals recht zufriedenstellenden Atommodells von J. J. Thompson zusammen.

Rutherford Thompson hatte ein Atommodell vorgeschlagen, bei dem die gesamte Masse und die gesamte positive Ladung gleichmäßig über das ganze Atom verteilt waren, während die Elektronen im Atom wie Rosinen in einem Kuchen eingebettet waren. (s.o.) Die gegenseitige Abstoßung der Elektronen untereinander sorgte für ihre gleichmäßige Verteilung über das Atom. Die sich ergebende, enge Verknüpfung zwischen den positiven und negativen Ladungen war vernünftig.

Rutherford Die Ionisation konnte durch das Herauslösen einiger Elektronen aus dem "Kuchen" erklärt werden, wonach ein massives, festes Atom mit einem Überschuss an positiver Ladung zurückbleibt.

Rutherford 1910 widerlegte Ernest Rutherford (1871-1937) dieses Atommodell mehr oder weniger durch Zufall während einer Messung der Streuung von alpha-Strahlen an extrem dünnen Metallfolien.

Rutherford Dabei benutzte er folgende Versuchsanordnung: In einem Bleiblock befindet sich eine Quelle für alpha-Teilchen. Die Teilchen treffen auf eine dünne Goldfolie (ca. 1000 Atomlagen dick). Rundherum stellt man einen Detektorschirm auf, um zu sehen, wohin die alpha-Teilchen abgelenkt werden. Die Apparatur wird in einer evakuierten Kammer aufgestellt, um Kolisionen mit Molekülen der Luft zu verhindern.

Rutherford In der Animation (sie läuft, wenn Sie auf das Bild der Versuchsanordnung klicken), wird jedes auftreffende Alphateilchen durch einen schwarzen Punkt dargestellt. Im Orginalversuch war es eine mit Zinksulfid beschichtete Platte, die beim Auftreffen eines Teilchens einen Lichtblitz aussendet (Floureszenzfilm). Doch bevor Sie weiterlesen, beobachten Sie, was Lord Rutherford, Dr. Geiger und Marsden beim Versuch sahen!

Rutherford

Rutherford Makroskopisch zeigt sich, dass in direkter Linie zur Strahlenquelle ein etwas ausgefranster, aber dennoch runder Fleck zu erkennen ist. Er entspricht in etwa der Größe des Austrittslochs im Bleiblock. Ein Großteil der Partikel ändert also seine Flugbahn nicht oder nur sehr wenig. Einige Teilchen werden jedoch in Winkeln bis zu 90° abgelenkt, manche werden auch direkt zur Strahlenquelle reflektiert.

Rutherford Dabei fand Marsden heraus, dass der Anteil der reflektierten Teilchen proportional zur Dicke der Goldfolie wächst. Er kam zu dem Schluss, dass nur eines von 108 Partikeln einer Weitwinkelstreuung unterliegt. Dies war der erste experimentelle Beweis für eine Atomvorstellung im heutigen Sinne.

Rutherford Um das Versuchsergebnis zu interpretieren und seine Bedeutung zu verstehen, muss man eine mikroskopische Sichtweise zurate ziehen. Wenn man annimmt, das Atome kleine Kugeln sind, und man eine Folie herstellen könnte, die aus einer Schicht dieser Kugeln bestünde (also nur eine Atomlage dick wäre), so kann man folgendes Gedankenexperiment machen:

Rutherford Welches alpha-Teilchen reflektiert wird, unterliegt dem Zufall. Es geschieht jedoch aufgrund einer Kollision mit einem sehr dichten, positiv geladenen Teilchen. Da nur eins von 108 Teilchen dieser Kollision unterliegt, muss der Großteil eines Atom leerer Raum sein.

Rutherford Der größte Teil der Masse von Atomen ist in einem sehr kleinen, positiv geladenen Kern konzentriert, dem Nucleus. Doch wie groß ist dieser Ort?

Rutherford Wenn er nun 1/2 so groß wäre wie das Atom, so würde jedes zweite Teilchen reflektiert, läge ein Verhältnis von 1 zu 10 vor, so wäre nur jedes 10. Teilchen betroffen. Da nur 1 von 108 Teilchen reflektiert wurde, nahmen die Forscher an, dass ein Atom 108 mal größer ist als der Nucleus. Ein Atom hat somit einen verhältnismäßig größeren Anteil an "leerem Raum" als unsere Galaxie.

Rutherford So ergibt sich folgendes mikroskopisches Bild vom Rutherfordschen Streuversuch:

Größenverhältnisse

Vereinfachtes Atommodell

Daten und Schreibweise

Aufbau der Materie

Authentisches Und so erzählt Lord Rutherford selber von seinem legendären Experiment: "In den ersten Tagen hatte ich die Streuung von alpha-Teilchen beobachtet und Dr. Geiger hatte sie in meinem Labor in allen Einzelheiten untersucht. Er fand, dass die Streuung bei dünnen Schichten von Schwermetall gewöhnlich klein war, von der Größenordnung eines Grades. Eines Tages kam Geiger zu mir und sagte: "Meinen Sie nicht auch, dass der junge Marsden, den ich in radioaktiven Methoden unterrichte, eine kleine Forschungsaufgabe beginnen müsste?" Ich hatte ebenfalls daran gedacht und so sagte ich: "Warum lassen wir Ihn nicht nachseh´n, ob irgendwelche alpha-Teilchen in große Winkel gestreut werden können?"

Authentisches Ich kann Ihnen im Vertrauen sagen, dass ich nicht mehr daran glaubte, dass dies geschehen würde, da wir ja wussten, dass das alpha-Teilchen ein sehr schnelles und massives Teilchen war mit einer großen Energie, und sie konnten zeigen, dass die Chance für die Rückstreuung eines alpha-Teilchens sehr gering war, wenn die Streuung auf der akkumulierten Wirkung einer Anzahl von Kleinwinkel-Streuungen beruhte. Dann erinnere ich mich, wie Geiger zwei oder drei Tage später in großer Aufregung zu mir kam und sagte: "Es ist uns gelungen, einige alpha-Teilchen zu bekommen, die zurückkamen." ... Es ist so ziemlich das unglaubwürdigste Ereignis, das mir je in meinem Leben passierte. Es war fast genauso unglaublich, als ob Sie eine 38 cm Granate gegen ein Stück Seidenpapier abfeuern, und sie kommt zurück und trifft Sie."

Kernaufbau

Isotope

Kräfte im Kern

Kernkräfte

Kräfte im Kern

Massendefekt

Radioaktiver Zerfall Es gibt im Wesentlichen 3 unterschiedliche Zerfallsarten a-, b- und g-Zerfall

Radioaktiver Alpha-Zerfall

Radioaktiver Beta-Zerfall (-)

Radioaktiver Beta-Zerfall (+)

Radioaktiver Gamma-Zerfall

Alpha-Zerfall

Alpha-Zerfall