Rutherfordsches Atommodell

Kern-Hülle-Modell

Das rutherfordsche Atommodell von 1911 beschreibt ein Atom als sehr kleinen, positiv geladenen Atomkern mit fast der gesamten Atommasse. Um ihn herum befindet sich eine leichte Hülle aus negativ geladenen Elektronen. Weil sich positive Kernladung und negative Elektronenladung ausgleichen, ist das Atom nach außen elektrisch neutral.

Das Modell ist die Grundlage des heutigen Kern-Hülle-Modells. Es löste das thomsonsche Atommodell von 1903 ab. Dieses nahm an, dass die positive Ladung gleichmäßig im Atom verteilt sei und sich die Elektronen darin unter elektrostatischen Kräften bewegten. Der Streuversuch zeigte, dass diese Vorstellung nicht zutrifft: Die positiven Ladungen und praktisch die gesamte Masse müssen in einem winzigen Kern vereinigt sein.

Streuung von Alpha-Teilchen

Hans Geiger und Ernest Marsden führten unter Rutherfords Leitung Streuversuche mit energiereichen Alpha-Teilchen aus der natürlichen Radioaktivität von Wismut-214 durch. Zunächst beobachteten sie, dass wenige Alpha-Teilchen von einer Platinplatte zurückgeworfen wurden. Dies war unerwartet, da zuvor nur Ablenkungen um wenige Grad bekannt waren.

In einem verfeinerten Aufbau wurden dünne Folien verschiedener Metalle, darunter Gold, im Vakuum untersucht. Gemessen wurde die Häufigkeitsverteilung von Ablenkwinkeln zwischen 15° und 170°. Es traten deutlich größere Ablenkwinkel auf, als sie durch Zusammenstöße mit den sehr leichten Elektronen erklärbar wären. Etwa eines von 8000 Alpha-Teilchen wurde vollständig zurückgeworfen. Große Ablenkungen sprechen daher für die Begegnung mit einem kleinen, schweren und geladenen Bereich im Atom.

Aussagen und Grenzen des Modells

Aus der Annahme eines kleinen, schweren und elektrisch geladenen Kerns leitete Rutherford seine Streuformel her. Sie erklärte die beobachtete Häufigkeit großer Ablenkwinkel, wenn der Kernradius höchstens 1/3000 des Atomradius beträgt. Die Kernladung entspricht, in Einheiten der Elementarladung, ungefähr der chemischen Ordnungszahl des Atoms.

Der Streuversuch allein konnte nicht entscheiden, ob der Kern positiv oder negativ geladen ist. Rutherford nahm einen positiven Kern und eine negative Elektronenhülle an, um die elektrische Neutralität zu erklären. Die positive Kernladung konnte außerdem die große kinetische Energie radioaktiver Alpha-Teilchen erklären: Werden sie nahe dem Kern freigesetzt, stoßen sie sich elektrostatisch vom positiven Kern ab.

Über die räumliche Verteilung der Elektronen lieferte der Versuch keine Informationen. Wegen ihrer geringen Masse lenken Elektronen Alpha-Teilchen nicht merklich um große Winkel ab. Rutherford entwickelte entgegen verbreiteten Darstellungen kein eigenes Modell für die Elektronenstruktur; 1911 erwähnte er lediglich Nagaokas „planetarisches Modell“.

Weiterentwicklung zur Quantenmechanik

Zunächst blieb Rutherfords Modell weitgehend unbeachtet. 1913 baute Niels Bohr darauf sein Atommodell auf und erzielte damit einen Durchbruch bei der Erklärung der Elektronenbewegungen in der Atomhülle. Henry Moseley zeigte anschließend, dass die innersten Bohrschen Bahnen die charakteristische Röntgenstrahlung genau erklären. Dadurch wurden positive Kernladung und chemische Ordnungszahl direkt messbar.

Die Erforschung des Atomkerns führte zur Kernphysik, die Erforschung der Atomhülle zur Atomphysik. Wegen zunehmender Unzulänglichkeiten wurde das Bohrsche Atommodell durch die 1925 entdeckte Quantenmechanik abgelöst. Sie wurde zur Grundlage fast der gesamten modernen Physik. George Gamow erklärte 1928 mit dem quantenmechanischen Tunneleffekt, wie Alpha-Teilchen den Kern verlassen können; anschließend gewinnen sie durch elektrostatische Abstoßung ihre große kinetische Energie.