Rutherford-Atommodell: Streuversuch erklärt

Eine sehr dünne Metallfolie, zum Beispiel eine Goldfolie, wurde mit Alpha-Teilchen beschossen. Alpha-Teilchen sind zweifach positiv geladene Heliumkerne. Sie besitzen eine hohe Bewegungsenergie. Sie stammten aus einem radioaktiven Stoff in einem Bleiblock mit schmaler Öffnung. So flog nur ein schmaler Strahl auf die Folie. Der ganze Aufbau stand in einem fast luftleer gepumpten Behälter, denn in Luft kommen Alpha-Teilchen nur wenige Zentimeter weit.

Um die Folie herum befand sich ein Leuchtschirm, auch Szintillationsschirm genannt. Ein auftreffendes Alpha-Teilchen erzeugte dort einen Lichtblitz. So ließ sich erkennen, in welche Richtung das unsichtbare Teilchen nach dem Durchgang durch die Folie weiterflog.

Im älteren Thomson-Modell, auch Rosinenkuchenmodell genannt, waren die positive Ladung und die Masse über das gesamte Atom verteilt. Die negativen Elektronen waren darin eingebettet. Eine großflächig verteilte positive Ladung sollte ein schnelles Alpha-Teilchen höchstens schwach beeinflussen. Deshalb erwartete man, dass die Teilchen die dünne Folie nahezu geradlinig durchqueren.

Auf dem Leuchtschirm zeigte sich ein klares Muster. Die meisten Alpha-Teilchen durchdrangen die Folie nahezu unabgelenkt. Einige Teilchen wurden leicht zur Seite abgelenkt. Sehr wenige Teilchen wurden stark abgelenkt oder sogar zur Einfallsseite zurückgestreut.

Das sind zunächst nur Beobachtungen. Sie beschreiben, was gemessen wurde. Aussagen über den inneren Aufbau der Atome sind dagegen Deutungen dieser Beobachtungen.

Rutherford musste alle drei Beobachtungen mit einem gemeinsamen Modell erklären.

Warum fliegen die meisten Teilchen geradeaus? Wenn die meisten Alpha-Teilchen die Folie fast ungehindert passieren, muss im Atom sehr viel Raum ohne stark ablenkende Materie liegen. Zusammen mit den seltenen Rückwürfen folgt daher: Die Elektronenhülle ist weitgehend leer und besitzt im Vergleich zum Kern nahezu keine Masse.

Warum werden einige Teilchen leicht abgelenkt? Ein Alpha-Teilchen ist positiv geladen. Fliegt es in geringer Entfernung an einem ebenfalls positiven Kern vorbei, stoßen sich die gleichnamigen Ladungen elektrisch ab. Dadurch ändert sich die Flugrichtung seitlich.

Warum kommen sehr wenige Teilchen zurück? Nähert sich ein Alpha-Teilchen dem Kern nahezu frontal, kann die elektrische Abstoßung besonders stark wirken. Die seltene Rückstreuung spricht deshalb für einen sehr kleinen Bereich, in dem die positive Ladung und fast die gesamte Atommasse konzentriert sind.

Die Elektronen schirmen die positive Kernladung nach außen ab. Bei einem neutralen Atom gleichen sich positive und negative Ladungen insgesamt aus. Das Modell ersetzte die Vorstellung, positive Ladung und Masse seien gleichmäßig im Atom verteilt. Sein entscheidender Erfolg ist der Kern-Hülle-Aufbau.

Das Rutherford-Modell beschreibt diese Grundstruktur, lässt aber wichtige Fragen offen. Wie sind die Elektronen innerhalb der Hülle verteilt? Wie verhalten oder bewegen sich die Elektronen dort genau? Warum ist das Atom stabil, und warum fallen die negativen Elektronen nicht in den positiven Kern? Und warum senden leuchtende Gase unter geringem Druck nur Licht ganz bestimmter Farben aus? Zerlegt man ihr Licht mit einem Prisma in seine Farben, sieht man nur einzelne farbige Linien.

Eine klassische Vorstellung von Elektronen auf Kreisbahnen löst das Stabilitätsproblem nicht. Eine Kreisbewegung ist eine beschleunigte Bewegung, denn die Richtung ändert sich ständig. Nach der klassischen Physik der Elektrizität (Elektrodynamik) würde ein beschleunigtes geladenes Teilchen Energie abstrahlen. Das Elektron müsste dadurch Energie verlieren und schließlich in den Kern stürzen. Stabile Atome wären so nicht erklärbar.

Ein gutes Modell muss nicht jede Frage beantworten. Es ist nützlich, solange es bestimmte Beobachtungen zuverlässig erklärt. Spätere Atommodelle übernehmen den Kern-Hülle-Aufbau und beschreiben die Elektronen genauer.