Lichtblitze im dunklen Labor
AFB I–IIHans Geiger saß stundenlang im abgedunkelten Labor und zählte mit dem Mikroskop winzige Lichtblitze auf einem Zinksulfid-Schirm. Die Skizze zeigt den Aufbau von oben. In einer Messreihe wurden 100 000 Lichtblitze nach ihrem Ablenkwinkel sortiert (Werte vereinfacht).
| Ablenkwinkel θ | Anzahl der Lichtblitze |
|---|---|
| 0° bis 10° | 99 850 |
| 10° bis 90° | 148 |
| über 90° | 2 |
| gesamt | 100 000 |
- Beschreibe den Versuchsaufbau und die Aufgabe seiner Bauteile.
- Berechne jeweils den Anteil der α-Teilchen in Prozent, die um 10° bis 90° bzw. um mehr als 90° abgelenkt wurden.
- Deute die drei Zeilen der Tabelle mithilfe des Kern-Hülle-Modells.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Radium sendet α-Teilchen in alle Richtungen aus; der Bleiblock mit schmaler Öffnung lässt nur einen gebündelten Strahl austreten. Der Strahl trifft eine hauchdünne Goldfolie. Um die Folie herum steht ein ringförmiger Zinksulfid-Schirm, auf dem jedes auftreffende α-Teilchen einen kurzen Lichtblitz erzeugt. Mit dem schwenkbaren Mikroskop werden die Blitze für jeden Winkel gezählt. (Der Aufbau steht in einer luftleeren Kammer, damit Luftteilchen den Strahl nicht stören.)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
10° bis 90°: 148 : 100 000 = 0,00148 = 0,148 %. Über 90°: 2 : 100 000 = 0,00002 = 0,002 %. Nur etwa jedes 50 000. Teilchen prallt zurück.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Fast alle Teilchen (99,85 %) fliegen nahezu ungehindert durch: Die Atome bestehen fast nur aus leerem Raum. Einige werden abgelenkt: Sie kommen einem positiv geladenen Zentrum nahe und werden abgestoßen. Ganz wenige prallen zurück: Das Zentrum ist sehr schwer (fast die ganze Atommasse) und so winzig, dass ein fast frontaler Treffer extrem selten ist. Dieses Zentrum ist der Atomkern; die Elektronen bewegen sich in der fast leeren Hülle.
Das Ende des Rosinenkuchens
AFB II–III1904 beschrieb Joseph J. Thomson das Atom als Kugel aus gleichmäßig verteilter positiver Ladung, in der die Elektronen wie Rosinen in einem Kuchen stecken. Rutherford erinnerte sich später an die Rückpraller: „Es war so unglaublich, als hätte man eine Granate auf ein Stück Seidenpapier abgefeuert, und sie wäre zurückgekommen und hätte einen getroffen.“
Messwerte: Durchmesser eines Goldatoms etwa \(2{,}9\cdot 10^{-10}\,\mathrm{m}\), Durchmesser eines Goldkerns etwa \(1{,}4\cdot 10^{-14}\,\mathrm{m}\).
- Vergleiche das Rosinenkuchen-Modell und das Kern-Hülle-Modell nach Ladungsverteilung, Massenverteilung und vorhergesagtem Versuchsergebnis.
- Schätze ab, welchen Durchmesser das Goldatom hätte, wenn man seinen Kern auf die Größe eines Sandkorns (1 mm) vergrößert.
- Erläutere Rutherfords Vergleich: Wofür stehen Granate und Seidenpapier, und warum war das Ergebnis so überraschend?
- Beurteile die Aussage: „Weil Atome fast leer sind, besteht auch dein Schultisch fast nur aus Nichts.“
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Ladung: Thomson — positive Ladung gleichmäßig über das ganze Atom verteilt; Rutherford — positive Ladung im winzigen Kern konzentriert. In beiden Modellen gibt es Elektronen, das Atom ist neutral. Masse: Thomson — gleichmäßig verteilt; Rutherford — fast ganz im Kern. Vorhersage: Thomson — alle α-Teilchen fliegen mit winziger Ablenkung durch; Rutherford — fast alle durch, einige abgelenkt, wenige zurück. Nur das Kern-Hülle-Modell passt zu den Messungen.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(\dfrac{2{,}9\cdot 10^{-10}\,\mathrm{m}}{1{,}4\cdot 10^{-14}\,\mathrm{m}}\approx 2\cdot 10^{4}=20\,000\). Kern 1 mm ⇒ Atom ≈ 20 000 mm = 20 m — etwa so groß wie ein Mehrfamilienhaus, mit einem Sandkorn in der Mitte.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Die Granate steht für das schnelle, schwere α-Teilchen, das Seidenpapier für die Goldfolie, die nach Thomson keinen Widerstand bieten kann, weil ihre Ladung und Masse „verdünnt“ verteilt sind. Dass Teilchen zurückkommen, zeigt: In der Folie gibt es winzige Bereiche, die schwerer sind als das α-Teilchen und stark positiv geladen — die Atomkerne.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Teilweise richtig: Bezogen auf die Masse ist der Tisch fast leer — nahezu die ganze Masse sitzt in den winzigen Kernen. Falsch ist aber „aus Nichts“: Die Elektronenhüllen füllen den Raum mit Ladung aus; die Hüllen deiner Hand und des Tisches stoßen sich ab, deshalb fühlt sich der Tisch fest an. Ein begründetes Urteil nennt beide Seiten und kommt zu dem Schluss, dass die Aussage stark vereinfacht und so irreführend ist.