TextaufgabenThomsons Atommodell

Beobachtung 1: Die Teilchen sind negativ geladen, denn sie werden von der positiven Platte angezogen.

Beobachtung 2: Die Teilchen sind sehr leicht — rund 2000-mal leichter als ein Wasserstoffatom, dem leichtesten bekannten Atom.

Beobachtung 3: Die Teilchen sind kein Bestandteil eines bestimmten Metalls, sondern stecken in jedem Atom. Thomson nannte sie Elektronen.

Beobachtung 4: Da das Metall trotz der enthaltenen negativen Elektronen neutral ist, muss im Atom ebenso viel positive Ladung vorhanden sein, die die negative ausgleicht.

Skizze: eine große Kugel, in der mehrere kleine Punkte verteilt sind. Beschriftung: Die Kugel trägt die positive Ladung und praktisch die gesamte Masse des Atoms; die Punkte sind die negativ geladenen Elektronen, sehr klein und sehr leicht, fest in der Kugel eingebettet. Es gibt keinen Kern und keine Bahnen. Die Zahl der Elektronen ist so groß wie die Zahl der positiven Ladungen, das Atom ist nach außen neutral. Name: Rosinenkuchenmodell (Teig = positive Kugel, Rosinen = Elektronen).

Dalton nahm an, Atome seien die kleinsten Bausteine der Materie und ließen sich nicht weiter zerlegen. Thomson holte jedoch aus Atomen Teilchen heraus, die etwa 2000-mal leichter sind als das leichteste Atom — sie können also nur ein Bruchstück des Atoms sein. Wer ein Bruchstück abtrennen kann, hat das Atom geteilt. Damit kann das Atom nicht unteilbar sein; es muss einen inneren Aufbau haben, den Daltons Modell nicht vorsieht. Daltons Aussagen über Masse und Verbindung von Atomen bleiben dabei gültig, nur die Unteilbarkeit fällt.

A: 11 − 10 = +1 e. B: 17 − 18 = −1 e. C: 10 − 10 = 0.

A und B sind Ionen, weil positive und negative Ladungen sich nicht ausgleichen: Bei A fehlt ein Elektron, die positive Ladung überwiegt (positives Ion); bei B ist ein Elektron zu viel, die negative Ladung überwiegt (negatives Ion). C ist ein neutrales Atom — es enthält zwar beide Ladungsarten, aber in gleicher Anzahl.

Elektronen = 13 − 3 = 10. Das Aluminium-Teilchen hat drei Elektronen abgegeben; die Kugel behält ihre 13 positiven Ladungen.

Die Behauptung ist teilweise falsch. Nach oben ist die Ladung begrenzt: Entfernt man alle 6 Elektronen, bleibt die Kugel mit +6 e übrig — mehr positive Ladung als die Kugel selbst trägt, kann das Teilchen nicht haben. +7 e ist also unmöglich. Nach unten gibt das Modell keine so einfache Grenze vor: Zusätzliche Elektronen ergeben −1 e, −2 e usw. Ob sich beliebig viele Elektronen tatsächlich in der Kugel halten lassen, kann das Modell nicht beantworten — in der Realität stoßen sich zu viele Elektronen gegenseitig ab. Korrekt wäre: höchstens +6 e, negative Werte nur in ganzen Schritten.

Positiver Teil: 8 · 1,67 · 10⁻²⁷ kg = 1,336 · 10⁻²⁶ kg.

Alle Elektronen: 8 · 9,1 · 10⁻³¹ kg = 7,28 · 10⁻³⁰ kg.

Gesamtmasse: 1,336 · 10⁻²⁶ kg + 0,000728 · 10⁻²⁶ kg ≈ 1,3367 · 10⁻²⁶ kg.

Anteil der Elektronen: 7,28 · 10⁻³⁰ ÷ 1,3367 · 10⁻²⁶ ≈ 5,4 · 10⁻⁴ = 0,054 %.

Vergleich: Ein Proton ist 1,67 · 10⁻²⁷ ÷ 9,1 · 10⁻³¹ ≈ 1835-mal so schwer wie ein Elektron. Das Verhältnis ist im ganzen Atom dasselbe wie beim einzelnen Paar, weil beide Sorten in gleicher Anzahl vorkommen — die Elektronen bleiben in jedem Fall unter einem Zwanzigstel Prozent.

Die Elektronen machen 0,054 % der Masse aus. Von 1 g = 1000 mg fehlen nach dem Entfernen aller Elektronen 0,00054 · 1000 mg ≈ 0,54 mg.

Das ist mehr als die Genauigkeit der Waage (0,1 mg); die Änderung wäre also im Prinzip messbar — etwa fünf Skalenschritte. Einschränkend: Man müsste den Vergleich mit derselben Probe durchführen und Störungen wie Luftfeuchte ausschließen, die leicht größere Massenänderungen verursachen. Außerdem ließe sich eine Probe mit derart vielen fehlenden Elektronen wegen der enormen positiven Ladung gar nicht zusammenhalten. Der rechnerische Effekt ist also nachweisbar, das Experiment praktisch undurchführbar.

Lena: Falsch. Im Rosinenkuchenmodell gibt es keine Bahnen und keine Mitte, um die etwas kreisen könnte. Die Elektronen sitzen fest eingebettet in der positiven Kugel wie Rosinen im Teig. Kreisende Elektronen gehören zu späteren Modellen.

Ben: Für die Masse stimmt der Gedanke — über 99,9 % stecken im positiven Teil. Für die Ladung ist er falsch: Jedes Elektron trägt eine volle negative Elementarladung, und genau diese Ladungen machen das Atom neutral. Ohne Elektronen wäre das Atom ein stark positiv geladenes Ion. Korrigiert: Elektronen tragen kaum zur Masse, aber vollständig zur Ladungsbilanz bei.

Mira: Falsch. Die Kugel trägt genauso viele positive Ladungen, wie Elektronen darin sitzen. Beide heben sich nach außen exakt auf — das Atom ist neutral, nicht leicht negativ. Negativ wird es erst, wenn ein zusätzliches Elektron hinzukommt.

Ballon und Haare bestehen aus neutralen Atomen: In jeder positiven Kugel sitzen genauso viele Elektronen wie positive Ladungen. Beim Reiben werden einige Elektronen aus den Atomen der Haare herausgelöst und wandern in das Material des Ballons. Die Atome der Haare haben nun weniger Elektronen als positive Ladungen — sie sind positive Ionen, die Haare insgesamt positiv. Die Atome des Ballons haben ein Elektron zu viel — sie sind negative Ionen, der Ballon insgesamt negativ. Das Modell erklärt den Vorgang, weil es bewegliche Ladungsträger (Elektronen) in einer festen positiven Umgebung vorsieht; Daltons Modell könnte ihn nicht erklären, da es keine Ladungen im Atom kennt.

Teilbarkeit: Dalton: Atome sind unteilbar. Thomson: Atome bestehen aus einer positiven Kugel und Elektronen, die sich abtrennen lassen — teilbar.

Ladung: Dalton: Atome sind ungeladene Kugeln ohne inneren Aufbau. Thomson: Atome enthalten positive und negative Ladung in gleicher Menge und sind deshalb nach außen neutral; durch Abgabe oder Aufnahme von Elektronen entstehen Ionen.

Masse: Dalton: Masse gleichmäßig über die Kugel verteilt. Thomson: Masse ebenfalls über die ganze Kugel verteilt, sie steckt aber fast vollständig im positiven Teil; die Elektronen tragen praktisch nichts bei.

Gemeinsam ist beiden: Atome sind kugelförmig, Atome eines Elements gleichen einander, und die Masse füllt die ganze Kugel — ein Kern kommt in keinem der beiden Modelle vor.

Im Rosinenkuchenmodell ist die positive Ladung gleichmäßig über die ganze Kugel verteilt. Ein Teilchen, das die Kugel durchquert, ist daher von allen Seiten von positiver Ladung umgeben: Die abstoßenden Kräfte von oben und unten heben sich weitgehend auf. Zusätzlich sind die negativen Elektronen zwischen den positiven Ladungen verteilt und schwächen die Abstoßung weiter. Übrig bleibt nur eine kleine Nettokraft — das obere Teilchen wird leicht nach oben, das untere leicht nach unten abgelenkt. Das mittlere Teilchen fliegt genau durch den Mittelpunkt: Für jede Ladung auf der einen Seite gibt es eine gleich große auf der anderen Seite, alle Kräfte heben sich vollständig auf, es wird nicht abgelenkt. Für kein Teilchen sagt das Modell eine starke Ablenkung voraus.

Die erste Hälfte des Befundes passt zum Modell: Dass fast alle Teilchen die Folie fast ungehindert durchdringen, ist genau die schwache Ablenkung aus Aufgabe a).

Die zweite Hälfte kann das Modell nicht erklären. Um ein schnelles Teilchen um mehr als 90° umzulenken oder gar zurückzuwerfen, braucht es eine sehr große abstoßende Kraft — also viel positive Ladung, die auf sehr kleinem Raum konzentriert ist. Bei Thomson ist die Ladung aber über das ganze Atom verschmiert, sodass an keiner Stelle eine große Kraft entsteht. Auch die Elektronen können nichts beitragen: Sie sind rund 7000-mal leichter als ein α-Teilchen und könnten es nicht einmal merklich ablenken. Dass gleichzeitig fast alle Teilchen durchkommen und wenige zurückgeworfen werden, deutet auf ein Atom, das überwiegend leer ist und dessen positive Ladung und Masse in einem winzigen Bereich sitzen. Urteil: Thomsons Modell scheitert an diesem Befund; Rutherford entwickelt 1911 daraus das Kern-Hülle-Modell.

Der Aussage ist zu widersprechen. Thomsons Modell war der erste Atomentwurf, der auf Messungen beruhte, und er erklärt bis heute Gültiges: dass Atome Elektronen enthalten, dass sie neutral sind, weil positive und negative Ladung sich ausgleichen, und dass Ionen durch Abgabe oder Aufnahme von Elektronen entstehen. Diese Bausteine hat Rutherford übernommen; er hat nur die Verteilung der positiven Ladung korrigiert.

Vor allem aber hat das Modell eine prüfbare Vorhersage gemacht (nur schwache Ablenkung). Erst diese Vorhersage machte Rutherfords Versuch zu einem Test, an dem etwas scheitern konnte. Ein Modell, das an einer klaren Beobachtung scheitert, hat seine Aufgabe erfüllt: Es zeigt, wo die nächste Frage liegt. Dass es ersetzt wurde, ist kein Fehlschlag, sondern der normale Weg der Physik — Modelle werden nicht bewiesen, sondern so lange verbessert, bis sie an neuen Beobachtungen scheitern.

Eine differenzierte Position könnte ergänzen: „Fehlschlag“ wäre das Modell nur gewesen, wenn es keine überprüfbaren Aussagen gemacht oder Bekanntes falsch beschrieben hätte. Beides trifft nicht zu.