Geiger-Marsden-Experimente - Geiger–Marsden experiments

Eine Nachbildung eines Apparats von Geiger und Marsden

Die Geiger-Marsden-Experimente (auch Rutherford-Goldfolien-Experiment genannt ) waren eine bahnbrechende Reihe von Experimenten, bei denen Wissenschaftler erfuhren, dass jedes Atom einen Kern hat, in dem seine gesamte positive Ladung und der größte Teil seiner Masse konzentriert sind. Sie abgeleitet diese nach der Messung , wie ein Alphateilchen Strahl wird gestreut , wenn es eine dünne schlägt Metallfolie . Die Experimente wurden zwischen 1908 und 1913 von Hans Geiger und Ernest Marsden unter der Leitung von Ernest Rutherford an den Physical Laboratories der University of Manchester durchgeführt .

Zusammenfassung

Zeitgenössische Theorien der Atomstruktur

Das Plumpudding-Modell des Atoms, wie es sich Thomson vorgestellt hat.

Die populäre Theorie des Atombaus zur Zeit von Rutherfords Experiment war das „ Plumpudding-Modell “. Dieses Modell wurde von Lord Kelvin entworfen und von JJ Thomson weiterentwickelt . Thomson war der Wissenschaftler, der das Elektron entdeckte und dass es ein Bestandteil jedes Atoms war. Thomson glaubte, das Atom sei eine Kugel positiver Ladung, in der die Elektronen verteilt seien, ein bisschen wie Rosinen in einem Weihnachtspudding . Die Existenz von Protonen und Neutronen war zu diesem Zeitpunkt unbekannt. Sie wussten, dass Atome sehr klein sind (Rutherford nahm an, dass sie einen Radius von 10 −8 m haben). Dieses Modell basierte vollständig auf der klassischen (Newtonschen) Physik; das derzeit akzeptierte Modell verwendet die Quantenmechanik .

Thomsons Modell wurde auch vor Rutherfords Experimenten nicht allgemein akzeptiert. Thomson selbst war nie in der Lage, ein vollständiges und stabiles Modell seines Konzepts zu entwickeln. Der japanische Wissenschaftler Hantaro Nagaoka lehnte Thomsons Modell mit der Begründung ab, dass gegensätzliche Anschuldigungen einander nicht durchdringen können. Er schlug stattdessen vor, dass Elektronen wie die Ringe um den Saturn die positive Ladung umkreisen.

Auswirkungen des Plumpudding-Modells

Ein Alphateilchen ist ein submikroskopisches, positiv geladenes Materieteilchen. Nach Thomsons Plum-Pudding-Modell würde ein Alpha-Teilchen, wenn es mit einem Atom kollidierte, einfach geradeaus durchfliegen, wobei seine Bahn höchstens um einen Bruchteil eines Grades abgelenkt würde. Auf atomarer Ebene ist der Begriff "Feststoff" bedeutungslos. Das Thomson-Atom ist eine Kugel mit positiver elektrischer Ladung, die durch ihre Masse verankert ist. Das Alpha-Teilchen würde also nicht wie eine Kugel vom Atom abprallen, sondern könnte direkt hindurchgehen, wenn die elektrischen Felder des Atoms schwach genug sind, um dies zuzulassen. Thomsons Modell sagte voraus, dass die elektrischen Felder in einem Atom zu schwach sind, um ein vorbeiziehendes Alphateilchen stark zu beeinflussen (Alphateilchen neigen dazu, sich sehr schnell zu bewegen). Sowohl die negativen als auch die positiven Ladungen innerhalb des Thomson-Atoms verteilen sich über das gesamte Volumen des Atoms. Nach dem Coulomb-Gesetz gilt: Je weniger konzentriert eine elektrische Ladungskugel ist, desto schwächer ist ihr elektrisches Feld an ihrer Oberfläche.

Thomson-Modell Alpha-Partikelstreuung.svg

Betrachten Sie als ein funktionierendes Beispiel ein Alphateilchen, das entlang der Kante eines Goldatoms wandert, wo es das elektrische Feld am stärksten erfährt und somit die maximale Ablenkung θ erfährt . Da die Elektronen im Vergleich zum Alphateilchen sehr leicht sind, kann ihr Einfluss vernachlässigt werden, sodass das Atom als schwere Kugel mit positiver Ladung angesehen werden kann.

Q n = positive Ladung des Goldatoms =79  e =1,266 × 10 -17  C
Q α = Ladung des Alphateilchens =e =3,204 × 10 -19  C
r = Radius eines Goldatoms =1,44 × 10 -10  m
v α = Geschwindigkeit des Alphateilchens =1,53 × 10 7  m/s
m α = Masse des Alphateilchens =6,645 × 10 −27  kg
k = Coulomb-Konstante =8,998 × 10 9  N · m 2 / C 2

Mit klassischer Physik kann die seitliche Impulsänderung Δp des Alphateilchens mit Hilfe der Impuls-Kraft-Beziehung und des Coulomb-Kraftausdrucks angenähert werden :

Die obige Berechnung ist nur eine Annäherung an das, was passiert, wenn ein Alphateilchen in die Nähe eines Thomson-Atoms kommt, aber es ist klar, dass die Ablenkung höchstens in der Größenordnung eines kleinen Bruchteils eines Grades liegt. Wenn das Alpha-Teilchen eine etwa 4 Mikrometer dicke Goldfolie (2.410 Atome) durchdringen und eine maximale Ablenkung in die gleiche Richtung erfahren würde (unwahrscheinlich), wäre es immer noch eine kleine Ablenkung.

Das Ergebnis der Experimente

Links: Wäre das Modell von Thomson korrekt gewesen, hätten alle Alphateilchen die Folie mit minimaler Streuung passieren müssen.
Rechts: Geiger und Marsden beobachteten, dass ein kleiner Teil der Alphateilchen eine starke Ablenkung erfuhr.

Auf Rutherfords Geheiß führten Geiger und Marsden eine Reihe von Experimenten durch, bei denen sie einen Strahl von Alpha-Teilchen auf eine dünne Metallfolie richteten und mit der von Crookes, Elster und Geitel entwickelten Szintillationsmethode das Streumuster mit einem Leuchtstoff maßen Bildschirm . Sie entdeckten Alphateilchen, die in alle Richtungen von der Metallfolie abprallten, einige sogar direkt an der Quelle. Dies hätte nach Thomsons Modell unmöglich sein sollen; die Alphateilchen sollten alle gerade durchgegangen sein. Offensichtlich waren diese Teilchen einer elektrostatischen Kraft ausgesetzt, die weitaus größer war, als Thomsons Modell vermuten ließ. Außerdem wurde nur ein kleiner Bruchteil der Alphateilchen um mehr als 90° abgelenkt. Die meisten flogen mit vernachlässigbarer Ablenkung direkt durch die Folie.

Um dieses bizarre Ergebnis zu erklären, stellte sich Rutherford vor, dass die positive Ladung des Atoms in einem winzigen Kern in seinem Zentrum konzentriert sei, was wiederum bedeutete, dass der größte Teil des Atomvolumens leerer Raum war.

Zeitleiste

Hintergrund

Ernest Rutherford war Langworthy Professor of Physics an der Victoria University of Manchester (heute University of Manchester ). Für seine Strahlenstudien hatte er bereits zahlreiche Ehrungen erhalten. Er hatte die Existenz von Alpha- , Beta- und Gammastrahlen entdeckt und bewiesen, dass diese die Folge des Zerfalls von Atomen waren . 1906 erhielt er Besuch von einem deutschen Physiker namens Hans Geiger und war so beeindruckt, dass er Geiger bat, zu bleiben und ihm bei seiner Forschung zu helfen. Ernest Marsden studierte Physik bei Geiger.

Alphateilchen sind winzige, positiv geladene Teilchen, die von bestimmten Stoffen wie Uran und Radium spontan emittiert werden . Rutherford hatte sie 1899 entdeckt. 1908 versuchte er, ihr Ladungs-Masse-Verhältnis genau zu messen . Dazu musste er zunächst wissen, wie viele Alpha-Teilchen seine Radium-Probe abgibt (anschließend misst er deren Gesamtladung und teilt sie durch die andere). Alphateilchen sind zu klein, um mit einem Mikroskop gesehen zu werden, aber Rutherford wusste, dass Alphateilchen Luftmoleküle ionisieren, und wenn sich die Luft in einem elektrischen Feld befindet, erzeugen die Ionen einen elektrischen Strom. Nach diesem Prinzip entwarfen Rutherford und Geiger ein einfaches Zählgerät, das aus zwei Elektroden in einem Glasrohr bestand. Jedes Alphateilchen, das durch die Röhre strömte, würde einen Stromimpuls erzeugen, der gezählt werden konnte. Es war eine frühe Version des Geigerzählers .

Der von Geiger und Rutherford gebaute Zähler erwies sich als unzuverlässig, weil die Alphateilchen durch ihre Kollisionen mit den Luftmolekülen in der Detektionskammer zu stark abgelenkt wurden. Die stark variablen Flugbahnen der Alphateilchen führten dazu, dass sie nicht alle die gleiche Anzahl von Ionen erzeugten, als sie durch das Gas strömten, was zu unregelmäßigen Messwerten führte. Dies verwirrte Rutherford, denn er hatte geglaubt, Alphateilchen seien einfach zu schwer, um so stark abgelenkt zu werden. Rutherford bat Geiger zu untersuchen, wie viel Materie Alphastrahlen streuen kann.

Die von ihnen entwickelten Experimente bestanden darin, eine Metallfolie mit Alphateilchen zu beschießen, um zu beobachten, wie die Folie sie in Bezug auf ihre Dicke und ihr Material streute. Sie verwendeten einen fluoreszierenden Bildschirm, um die Flugbahnen der Partikel zu messen. Jeder Aufprall eines Alphateilchens auf dem Bildschirm erzeugte einen winzigen Lichtblitz. Stundenlang arbeitete Geiger in einem abgedunkelten Labor und zählte diese winzigen Szintillationen mit einem Mikroskop. Rutherford fehlte die Ausdauer für diese Arbeit (er war Ende 30), weshalb er sie seinen jüngeren Kollegen überließ. Für die Metallfolie testeten sie eine Vielzahl von Metallen, aber sie bevorzugten Gold, weil sie die Folie sehr dünn machen könnten, da Gold sehr formbar ist. Als Quelle für Alphateilchen war Rutherfords Stoff der Wahl Radon , ein Stoff, der mehrere Millionen Mal radioaktiver ist als Uran.

Das Experiment von 1908

Dieser Apparat wurde 1908 in einer Veröffentlichung von Hans Geiger beschrieben. Er konnte nur Auslenkungen von wenigen Grad messen.

Eine Veröffentlichung von 1908 von Geiger, On the Scattering of α-Particles by Matter , beschreibt das folgende Experiment. Er konstruierte eine lange Glasröhre von fast zwei Metern Länge. An einem Ende der Röhre befand sich eine Menge „ Radium-Emanation “ (R), die als Quelle für Alpha-Teilchen diente. Das gegenüberliegende Ende der Röhre wurde mit einem phosphoreszierenden Schirm (Z) bedeckt. In der Mitte des Rohres befand sich ein 0,9 mm breiter Schlitz. Die Alphateilchen von R passierten den Spalt und erzeugten einen leuchtenden Lichtfleck auf dem Bildschirm. Ein Mikroskop (M) wurde verwendet, um die Szintillationen auf dem Bildschirm zu zählen und ihre Ausbreitung zu messen. Geiger pumpte die gesamte Luft aus der Röhre, damit die Alphateilchen frei waren, und sie hinterließen auf dem Bildschirm ein sauberes und straffes Bild, das der Form des Schlitzes entsprach. Geiger ließ dann etwas Luft in die Röhre, und der leuchtende Fleck wurde diffuser. Geiger pumpte dann die Luft heraus und legte etwas Goldfolie über den Schlitz bei AA. Auch dies führte dazu, dass sich der Lichtfleck auf dem Bildschirm weiter ausbreitete. Dieses Experiment zeigte, dass sowohl Luft als auch Feststoffe Alphateilchen deutlich streuen können. Die Vorrichtung konnte jedoch nur kleine Ablenkwinkel beobachten. Rutherford wollte wissen, ob die Alphateilchen unter noch größeren Winkeln gestreut werden – vielleicht mehr als 90°.

Das Experiment von 1909

In diesen Experimenten wurde beobachtet, dass von einer radioaktiven Quelle (A) emittierte Alphateilchen von einem Metallreflektor (R) und auf einem fluoreszierenden Schirm (S) auf der anderen Seite einer Bleiplatte (P) abprallten.

In einer Arbeit von 1909, On a Diffuse Reflection of the α-Particles , beschrieben Geiger und Marsden das Experiment, mit dem sie bewiesen, dass Alpha-Teilchen tatsächlich um mehr als 90° gestreut werden können. In ihrem Experiment stellten sie ein kleines konisches Glasrohr (AB) her, das "Radium-Emanation" ( Radon ), "Radium A" (tatsächliches Radium) und "Radium C" ( Wismut- 214) enthielt; sein offenes Ende mit Glimmer versiegelt . Das war ihr Alphateilchen-Emitter. Dann stellten sie eine Bleiplatte (P) auf, hinter der sie einen fluoreszierenden Schirm (S) platzierten. Die Röhre wurde auf der gegenüberliegenden Seite der Platte gehalten, so dass die von ihr emittierten Alphateilchen nicht direkt auf den Bildschirm treffen konnten. Sie bemerkten ein paar Szintillationen auf dem Bildschirm, weil einige Alphateilchen die Platte umkreisten, indem sie von Luftmolekülen abprallten. Dann legten sie eine Metallfolie (R) an die Seite der Bleiplatte. Sie richteten die Röhre auf die Folie, um zu sehen, ob die Alphateilchen von ihr abprallen und auf der anderen Seite der Platte auf den Schirm auftreffen würden, und beobachteten eine Zunahme der Szintillationen auf dem Schirm. Beim Zählen der Szintillationen beobachteten sie, dass Metalle mit höherer Atommasse wie Gold mehr Alphateilchen reflektierten als leichtere wie Aluminium.

Geiger und Marsden wollten dann die Gesamtzahl der reflektierten Alphateilchen schätzen. Der bisherige Aufbau war dafür ungeeignet, weil die Röhre mehrere radioaktive Stoffe (Radium plus seine Zerfallsprodukte) enthielt und somit die emittierten Alphateilchen unterschiedliche Reichweiten hatten und für sie schwer zu ermitteln war, mit welcher Geschwindigkeit die Röhre Alphateilchen aussendete . Diesmal platzierten sie eine kleine Menge Radium C (Wismut-214) auf der Bleiplatte, die von einem Platinreflektor (R) auf den Bildschirm abprallte. Sie fanden heraus, dass nur ein winziger Bruchteil der Alphateilchen, die auf den Reflektor trafen, auf den Bildschirm zurückprallte (in diesem Fall 1 von 8.000).

Das Experiment von 1910

Dieser Apparat wurde 1910 von Geiger beschrieben. Es wurde entwickelt, um genau zu messen, wie sich die Streuung je nach Material und Dicke der Folie ändert.

Eine 1910 erschienene Arbeit von Geiger, The Scattering of the α-Particles by Matter , beschreibt ein Experiment, mit dem er zu messen versuchte, wie der wahrscheinlichste Winkel, durch den ein a-Teilchen abgelenkt wird, mit dem Material variiert, das es durchdringt, der Dicke besagten Material und die Geschwindigkeit der Alphateilchen. Er konstruierte ein luftdichtes Glasrohr, aus dem die Luft abgepumpt wurde. An einem Ende befand sich eine Glühbirne (B), die "Radium-Emanation" ( Radon -222) enthielt . Mittels Quecksilber wurde das Radon in B durch das schmale Glasrohr hochgepumpt, dessen Ende bei A mit Glimmer verstopft war . Am anderen Ende der Röhre befand sich ein fluoreszierender Zinksulfidschirm (S). Das Mikroskop, mit dem er die Szintillationen auf dem Bildschirm zählte, war an einer vertikalen Millimeterskala mit Nonius befestigt, die es Geiger erlaubte, genau zu messen, wo die Lichtblitze auf dem Bildschirm erschienen und so die Ablenkwinkel der Teilchen berechnen. Die von A emittierten Alphateilchen wurden durch ein kleines kreisförmiges Loch bei D zu einem Strahl verengt. Geiger platzierte eine Metallfolie in den Strahlengang bei D und E, um zu beobachten, wie sich die Blitzzone änderte. Er konnte auch die Geschwindigkeit der Alphateilchen variieren, indem er zusätzliche Glimmer- oder Aluminiumschichten bei A platzierte.

Aus seinen Messungen kam Geiger zu folgenden Schlussfolgerungen:

  • der wahrscheinlichste Umlenkwinkel nimmt mit der Materialstärke zu
  • der wahrscheinlichste Ablenkwinkel ist proportional zur Atommasse des Stoffes
  • der wahrscheinlichste Ablenkwinkel nimmt mit der Geschwindigkeit der Alphateilchen ab
  • die Wahrscheinlichkeit, dass ein Teilchen um mehr als 90° abgelenkt wird, ist verschwindend gering

Rutherford modelliert das Streumuster mathematisch

In Anbetracht der Ergebnisse der obigen Experimente veröffentlichte Rutherford 1911 ein wegweisendes Papier mit dem Titel "The Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atom", in dem er vorschlug, dass das Atom in seinem Zentrum ein elektrisches Ladungsvolumen enthält, das sehr klein und intensiv (tatsächlich behandelt Rutherford es in seinen Berechnungen als Punktladung). Für seine mathematischen Berechnungen nahm er an, dass diese zentrale Ladung positiv sei, gab jedoch zu, dass er dies nicht beweisen konnte und dass er auf andere Experimente warten musste, um seine Theorie zu entwickeln.

Rutherford entwickelte eine mathematische Gleichung, die modelliert, wie die Folie die Alphateilchen streuen sollte, wenn die gesamte positive Ladung und der größte Teil der Atommasse an einem einzigen Punkt im Zentrum eines Atoms konzentriert sind.

Rutherfords Streugleichung illustriert.svg

s = Anzahl der Alphateilchen, die unter einem Ablenkwinkel Φ . auf die Flächeneinheit fallen
r = Abstand vom Einfallspunkt von α-Strahlen auf streuendes Material
X = Gesamtzahl der auf das Streumaterial fallenden Partikel
n = Anzahl der Atome in einer Volumeneinheit des Materials
t = Dicke der Folie
Q n = positive Ladung des Atomkerns
Q α = positive Ladung der Alphateilchen
m = Masse eines Alphateilchens
v = Geschwindigkeit des Alphateilchens

Aus den Streudaten schätzt Rutherford die zentrale Ladung Q n auf etwa +100 Einheiten (siehe Rutherford-Modell )

Das Experiment von 1913

In einer Arbeit von 1913, The Laws of Deflexion of α Particles through Large Angles , beschreiben Geiger und Marsden eine Reihe von Experimenten, mit denen sie versuchten, die obige Gleichung, die Rutherford entwickelt hatte, experimentell zu überprüfen. Die Rutherford-Gleichung sagte voraus, dass die Anzahl der Szintillationen pro Minute s , die bei einem gegebenen Winkel Φ beobachtet werden, proportional sein sollte zu:

  1. csc 4 (Φ/2)
  2. Folienstärke t
  3. Betrag des Quadrats der Zentralladung Q n
  4. 1 / (mv 2 ) 2

Ihr Aufsatz von 1913 beschreibt vier Experimente, mit denen sie jede dieser vier Beziehungen bewiesen.

Dieser Apparat wurde 1913 in einer Veröffentlichung von Geiger und Marsden beschrieben. Es wurde entwickelt, um das Streumuster der von der Metallfolie (F) erzeugten Alphateilchen genau zu messen. Das Mikroskop (M) und der Bildschirm (S) waren an einem rotierenden Zylinder befestigt und konnten einen vollen Kreis um die Folie bewegt werden, um Szintillationen aus jedem Winkel zu zählen.

Um zu testen, wie sich die Streuung mit dem Ablenkwinkel ändert (dh wenn s csc 4 (Φ/2) ) bauten Geiger und Marsden eine Apparatur, die aus einem hohlen Metallzylinder bestand, der auf einem Drehtisch montiert war. Im Inneren des Zylinders befanden sich eine Metallfolie (F) und eine Radon enthaltende Strahlungsquelle (R), die auf einer abgesetzten Säule (T) montiert waren, die es dem Zylinder ermöglichte, sich unabhängig zu drehen. Die Säule war auch ein Rohr, durch das Luft aus dem Zylinder gepumpt wurde. Ein Mikroskop (M) mit seiner Objektivlinse bedeckt von einem fluoreszierenden Zinksulfidschirm (S) durchdrang die Wand des Zylinders und zeigte auf die Metallfolie. Durch Drehen des Tisches konnte das Mikroskop einen vollen Kreis um die Folie bewegt werden, so dass Geiger um bis zu 150° abgelenkte Alphateilchen beobachten und zählen konnte. Um experimentelle Fehler zu korrigieren, fanden Geiger und Marsden heraus, dass die Anzahl der Alphateilchen, die um einen gegebenen Winkel Φ abgelenkt werden, tatsächlich proportional zu csc 4 (Φ/2) ist .

Dieses Gerät wurde verwendet, um zu messen, wie sich das Streumuster der Alpha-Partikel in Abhängigkeit von der Dicke der Folie, dem Atomgewicht des Materials und der Geschwindigkeit der Alpha-Partikel änderte. Die rotierende Scheibe in der Mitte hatte sechs Löcher, die mit Folie abgedeckt werden konnten.

Geiger und Marsden testeten dann, wie sich die Streuung mit der Dicke der Folie änderte (dh wenn s t ). Sie konstruierten eine Scheibe (S), in die sechs Löcher gebohrt wurden. Die Löcher wurden mit Metallfolie (F) unterschiedlicher Dicke oder keiner zur Kontrolle bedeckt. Diese Scheibe wurde dann in einem Messingring (A) zwischen zwei Glasplatten (B und C) versiegelt. Die Scheibe konnte mit Hilfe einer Stange (P) gedreht werden, um jedes Fenster vor die Alphateilchenquelle (R) zu bringen. Auf der hinteren Glasscheibe befand sich ein Zinksulfid- Schirm (Z). Geiger und Marsden fanden heraus, dass die Zahl der Szintillationen, die auf dem Zinksulfid-Sieb erschienen, tatsächlich proportional zur Dicke war, solange diese Dicke klein war.

Geiger und Marsden verwendeten die obige Apparatur wieder, um zu messen, wie sich das Streumuster mit dem Quadrat der Kernladung änderte (dh wenn s Q n 2 ). Geiger und Marsden wussten nicht, was die positive Ladung des Kerns ihrer Metalle war (sie hatten gerade erst entdeckt, dass der Kern überhaupt existiert), aber sie nahmen an, dass sie proportional zum Atomgewicht sei, also testeten sie, ob die Streuung proportional war zum Quadrat des Atomgewichts. Geiger und Marsden bedeckten die Löcher der Scheibe mit Folien aus Gold, Zinn, Silber, Kupfer und Aluminium. Sie maßen die Bremskraft jeder Folie, indem sie sie einer äquivalenten Luftdicke gleichsetzten. Sie zählten die Anzahl der Szintillationen pro Minute, die jede Folie auf dem Bildschirm erzeugte. Sie dividierten die Anzahl der Szintillationen pro Minute durch das Luftäquivalent der jeweiligen Folie, dann wiederum durch die Quadratwurzel des Atomgewichts (Geiger und Marsden wussten, dass bei Folien gleicher Bremskraft die Anzahl der Atome pro Flächeneinheit proportional zum Quadratwurzel des Atomgewichts). So erhielten Geiger und Marsden für jedes Metall die Anzahl der Szintillationen, die eine feste Anzahl von Atomen erzeugt. Für jedes Metall teilten sie diese Zahl dann durch das Quadrat des Atomgewichts und stellten fest, dass die Verhältnisse mehr oder weniger gleich waren. Damit haben sie bewiesen, dass s Q n 2 ist .

Schließlich testeten Geiger und Marsden, wie sich die Streuung mit der Geschwindigkeit der Alphateilchen ändert (dh wenn s ∝ 1/v 4 ). Mit der gleichen Apparatur verlangsamten sie die Alphateilchen, indem sie zusätzliche Glimmerschichten vor die Alphateilchenquelle legten . Sie fanden heraus, dass die Anzahl der Szintillationen innerhalb des experimentellen Fehlerbereichs tatsächlich proportional zu 1/v 4 war .

Rutherford stellt fest, dass der Kern positiv geladen ist

In seiner Arbeit von 1911 ( siehe oben ) nahm Rutherford an, dass die zentrale Ladung des Atoms positiv sei, aber eine negative Ladung hätte genauso gut zu seinem Streumodell gepasst. In einer Veröffentlichung von 1913 erklärte Rutherford, dass der "Kern" (wie er ihn jetzt nannte) tatsächlich positiv geladen war, basierend auf den Ergebnissen von Experimenten, die die Streuung von Alphateilchen in verschiedenen Gasen untersuchten.

1917 begannen Rutherford und sein Assistent William Kay, den Durchgang von Alphateilchen durch Gase wie Wasserstoff und Stickstoff zu erforschen. In einem Experiment, bei dem sie einen Strahl von Alphateilchen durch Wasserstoff schossen, schlugen die Alphateilchen die Wasserstoffkerne nach vorne in Richtung des Strahls, nicht nach hinten. In einem Experiment, bei dem Alpha-Teilchen durch Stickstoff geschossen wurden, entdeckte er, dass die Alpha-Teilchen Wasserstoffkerne (dh Protonen) aus den Stickstoffkernen herausschlugen.

Erbe

Als Geiger Rutherford berichtete, dass er Alphateilchen entdeckt habe, die stark abgelenkt wurden, war Rutherford erstaunt. In einem Vortrag, den Rutherford an der Cambridge University hielt , sagte er:

Es war das unglaublichste Ereignis, das mir je in meinem Leben passiert ist. Es war fast so unglaublich, als würde man mit einer 15-Zoll-Granate auf ein Stück Seidenpapier feuern und es kam zurück und traf einen. Beim Nachdenken stellte ich fest, dass diese Rückstreuung das Ergebnis einer einzigen Kollision sein muss, und als ich Berechnungen anstellte, sah ich, dass es unmöglich war, etwas in dieser Größenordnung zu erhalten, es sei denn, man nahm ein System, in dem der größte Teil der Masse des Atoms wurde in einem winzigen Kern konzentriert. Damals hatte ich die Idee eines Atoms mit einem winzigen massiven Zentrum, das eine Ladung trägt.

—  Ernest Rutherford

Bald darauf strömten Auszeichnungen ein. Hantaro Nagaoka , der einst ein Saturnmodell des Atoms vorgeschlagen hatte, schrieb 1911 aus Tokio an Rutherford: "Herzlichen Glückwunsch zu der Einfachheit der von Ihnen verwendeten Apparatur und den brillanten Ergebnissen, die Sie erzielt haben". Die Schlussfolgerungen dieser Experimente zeigten, wie alle Materie auf der Erde strukturiert ist und beeinflusste somit jede wissenschaftliche und technische Disziplin, was sie zu einer der wichtigsten wissenschaftlichen Entdeckungen aller Zeiten macht. Der Astronom Arthur Eddington nannte Rutherfords Entdeckung die wichtigste wissenschaftliche Errungenschaft, seit Demokrit das Atomzeitalter früher vorgeschlagen hatte.

Wie die meisten wissenschaftlichen Modelle war Rutherfords Atommodell weder perfekt noch vollständig. Nach der klassischen Newtonschen Physik war dies tatsächlich unmöglich. Beschleunigende geladene Teilchen strahlen elektromagnetische Wellen aus, so dass ein Elektron, das einen Atomkern umkreist, theoretisch in den Kern hineinspiralen würde, während es Energie verliert. Um dieses Problem zu beheben, mussten die Wissenschaftler die Quantenmechanik in Rutherfords Modell integrieren.

Siehe auch

Verweise

Literaturverzeichnis

Externe Links