Der Cowboy Rutherford I Der Rutherfordsche StreuVersuch Die

Der Cowboy Rutherford (I) Der Rutherfordsche Streu-Versuch. Die Durchführung. Stand 23. 11. 2020

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Der Bau der Materie… …war schon seit Urzeiten ein Thema, aber von den Philosophen, nicht den Chemikern. Das klingt merkwürdig, aber es gab bis vor wenigen hundert Jahren keine Chemiker. Bis dahin glaubte man, man könne jegliche Erkenntnis allein durch Nachdenken erlangen. Dass es irgendwelche Teilchen geben musste, war schon klar. Als aber echte Chemiker auftauchten, ließ es ihnen keine Ruhe: „Wie, bitte, sehen diese ‚kleinsten Teilchen‘ aus? “ 3

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Mit dieser Kiste kannst du… …wie der Physiker Rutherford in die kleinsten Teilchen „hineinschauen“. 1. Du lernst dabei, wie Ernest Rutherford mit recht einfachen Mitteln in die Teilchen hineingeschaut hat und 2. Wie man sich in der Wissenschaft ein Bild (Modell) von Dingen macht, die man nicht sehen kann. Warum die Autoren Rutherford als Cowboy bezeichnen, wird dir gegen Ende dieser Lerneinheit klar. 5

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Mit dieser Kiste solltest du folgendes tun: • Lies die folgende Bilder-Geschichte. • Ergänze immer, wenn dieses Männchen erscheint, den Eintrag in deinem Labor-Tagebuch unter dem Titel „Ein neues Atom-Modell entsteht“. • Überlege und notiere unter „Grenzen“, welche dir bekannten Phänomene mit dem jeweiligen Atom-Modell nicht erklärt werden können. 7

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Bilder-Geschichte, Teil 1 von 4 Irgendwann zu Beginn des 20. Jh. Ernest Rutherford sitzt mal wieder in seinem Labor an der University of Manchester und grübelt über ein Problem, das ihn einfach nicht los lässt. Diese verdammten Atome! Irgendwie komme ich mit den Erklärungen nicht weiter. Diese ganzen Modelle passen nicht! [3] Ernest Rutherford at Mc. Gill, 1905 9 Am besten gehe ich systematisch vor. [2] Sir Ernest Rutherford

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Bilder-Geschichte, Teil 2 von 4 Alle diese Fakten weiß ich von: Dalton: er zeigte 1803 über Experimente, dass es Teilchen [5] John Dalton geben muss. Demokrit: 400 v. Chr. folgerte er durch Nachdenken, dass es Teilchen geben muss. [4] Demokrit Lavoisier: er konnte ab 1765 Elemente von Verbindungen unterscheiden. [2] Sir Ernest Rutherford 11 [6] Antoine Lavoisier

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Aufgabe 1 von 9 Erinnere dich an die Atom-Vorstellung von John Dalton. Wenn dir die Einzelheiten nicht mehr einfallen wollen, hilft dir die nächste Karte weiter. Sonst lies die Bilder-Geschichte mit Teil 3 weiter. Notiere wesentliche Aussagen und Grenzen in deinem Labor-Tagebuch. 13

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Lösung Atom-Model nach John Dalton Inhalte: • • Atome sind die Bausteine aller Stoffe. Atome sind unzerstörbar. Es gibt so viele Atom-Sorten wie Elemente. Atome verschiedener Elemente unterscheiden sich in ihrer Größe und Masse. • Chemische Reaktion bedeutet Neu-Ordnung der Atome. Grenzen: • Erklärt nicht den Zusammenhalt der Atome im Molekül. • Erklärt nicht die Radio-Aktivität. • Erklärt nicht die Bildung von Ionen. Lies die Bilder-Geschichte mit Teil 3 weiter. 16

Bilder-Geschichte, Teil 3 von 4 Ende des 19. Jh. folgen noch weitere wichtige Erkenntnisse: [7] Joseph John Thomson Mir, Joseph John Thomson, gelang es, das Elektron experimentell nachzuweisen. Elektronen sind kleine, fast masselose, einfach negativ geladene Teilchen, die am Aufbau des Atoms beteiligt sind. Die Elektronen können aus dem Atom entfernt werden. Daher erlaube ich mir im Jahr 1903, mein Atommodell vorzustellen. Ich nenne es das Plumpudding-Modell, oder „Rosinenkuchenmodell“, wie ihr Deutschen sagt. 17 Das ist mein Bild von einem Atom: da es nach außen elektrisch neutral ist, muss es aus einer positiv geladenen Grundmasse bestehen, in die negativ geladenen Elektronen eingebettet sind. Außer für Elektronen ist diese Masse undurchdringlich. + + +

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Aufgabe 2 von 9 1. Fasse die Atom-Vorstellung von Joseph Thomson zusammen. 2. Notiere wesentliche Aussagen und Grenzen in deinem Labor-Tagebuch. Du kannst mit der nächsten Karte kontrollieren, ob du alle Aussagen erfasst und die Grenzen erkannt hast. Lies dann die Bilder-Geschichte mit Teil 4 weiter. 19

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Lösung Plumpudding-Modell nach Joseph Thomson Inhalte: • Atome sind nicht unteilbar, da negativ geladene Partikel (Elektronen e-) von ihnen weggerissen werden können. • Elektronen haben immer die gleiche Ladung und Masse, unabhängig von der Atom-Art. • In einer positiv geladenen Grund-Masse sind die Elektronen eingebettet. • Die Grund-Masse ist nur für Elektronen durchlässig. Grenzen: • Ergibt KEIN stabiles Atom. • Erklärt nicht, wie sich Atome zu Verbindungen zusammen finden. Lies die Bilder-Geschichte mit Teil 4 weiter. 22

Bilder-Geschichte, Teil 4 von 4 Mit diesem Wissen kann ich mir jetzt ein Experiment überlegen, das mir hilft, ein Atommodell zu erstellen. Das ist nun das Experiment, mit dem ich das Plumpudding. Modell überprüfen möchte: Mein erster Schritt ist es, die Richtigkeit des jetzt gültigen Plumpudding. Modells mit einem Experiment nachzuweisen. Bleiblock Radium, sendet α-Strahlen aus [2] Sir Ernest Rutherford Goldfolie Schirm der auftreffende α-Teilchen sichtbar macht [3] Ernest Rutherford at Mc. Gill, 1905 Die genaue Beschreibung folgt. 23

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Aufgabe 3 von 9, Seite 1 So sieht ein Nachbau der Versuchsapparatur aus: [1] Rutherfordscher Streuversuch Gebaut haben sie eigentlich Hans Geiger und Ernest Marsden. 25

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Aufgabe 3 von 9, Seite 2 Der Rutherfordsche Streu-Versuch: Vergleiche diese Beschreibung mit der Abbildung auf der folgenden Seite: • In einem Blei-Block (1) befindet sich eine Quelle für α-Teilchen (2). α-Teilchen tragen zwei positive Ladungen. • Die Teilchen treffen auf eine sehr, sehr dünne Gold-Folie (3). • Das Mikroskop (4) ist im Kreis beweglich. • Davor ist ein Detektor-Schirm (5) fest gemacht. Das ist eine mit Zinksulfid beschichtete Platte, die beim Auftreffen eines α-Teilchens einen Licht-Blitz aussendet. Diese Licht-Blitze kann man mit Hilfe eines Mikroskops beobachten und zählen. • Die Apparatur ist innen (6) luftleer. 27

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Aufgabe 3 von 9, Seite 3 Hier siehst du die Versuchskammer, links ein Schnitt durch die Apparatur aus der Abbildung von S. 23. Der schwarze Teil ist drehbar. Rechts eine vereinfachte Skizze. 1. Benenne die Einzel-Teile der Apparatur mit Hilfe des Textes der vorausgehenden Seite. 2. Übertrage die Skizze rechts mit Beschriftung in dein Labor-Tagebuch. 29

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Lösung So könnte dein Eintrag aussehen: 1 2 3 4 5 6 1 Bleiblock mit Schlitz 2 α-Strahler, sendet also positiv geladenen Teilchen aus 3 Dünne Goldfolie 4 Mikroskop 5 Detektorplatte 6 Luftleerer Versuchsraum 32

Rutherfords Auswertung Die Apparatur-Version unten wurde verwendet, um Licht-Blitze aufzuzeichnen. Der Detektor hat die Form eines langen Bandes, an das man von hinten einen Foto-Streifen befestigte. Nach dem Versuch sah der Foto-Streifen so aus (schwarze Flecken markieren die Treffer der α-Teilchen): Nachgezeichnet: 33

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Aufgabe 3 von 9, Seite 4 Mit dem Streu-Versuch will Rutherford wissen, ob Thomsons Modell die Atome richtig beschreibt. Überlege dir, welches Versuchs-Ergebnis Rutherford hätte erhalten müssen, wenn er die positiv geladenen α-Teilchen auf eine Atom-Schicht aus lauter Thomson-Atomen geschossen hätte. + + + Zeichne das Ergebnis deiner Überlegung in dein Labor. Tagebuch. 35

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Lösung Dieses Ergebnis müsste Rutherford sehen, wenn das Modell von Thomson stimmen würde: alle Teilchen werden zurückgeworfen. Filmstreifen Zur Erinnerung das tatsächliche Ergebnis: 38

Aufgabe 4 von 9 Stelle aus dem Material in der Kiste den Rutherfordschen Streu-Versuch nach: 1. Der Laser-Pointer steht in diesem Modell für den αStrahler im Blei-Block. Wenn du ihn auf der hinteren Seite einschaltest, geht ein Strahl genau auf die Probe. 2. Verwende als Probe: a. erst den Spiegel, b. dann das Milch-Glas, c. zum Schluss das Glas. Beschreibe, wie sich der Strahl nach dem Auftreffen auf deine Probe jeweils verhält. 39

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Aufgabe 5 von 9, Seite 1 Entscheide, welche Probe Rutherfords Modell bestätigen würde. Notiere deine Begründung im Labor-Tagebuch. 41

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Aufgabe 5 von 9, Seite 2 Entscheide, welche Probe Thomsons Modell bestätigen würde. Notiere deine Begründung im Labor-Tagebuch. 43

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Lösung Die Milchglas-Probe beschreibt Rutherfords Ergebnisse am besten: 1. 2. 3. 4. Die meisten α-Teilchen (im Modell Lichtstrahlen) gehen glatt durch die Gold-Folie hindurch wie bei der Milchglas-Probe. Einige α-Teilchen werden abgelenkt (siehe Strahlen-Hof). Wenige α-Teilchen werden zurück geworfen (die sehen wir auf dem Milchglas). Die Ergebnisse Rutherfords lassen sich nicht mit den Befunden aus dem Modell mit dem Spiegel oder dem durchsichtigen Glas erklären. Daraus schließen wir, dass Rutherfords Modell Atome besser beschreibt als Thomsons. 46

Das sollte bleiben (1): Rutherfords Ergebnis widerspricht dem Modell von Thomson. Für die Wissenschaft ist das nicht ungewöhnlich. Thomson hat sein Modell auf Grund seines Wissens gebaut. Rutherford hat neues Wissen hinzu gefügt. Modelle muss man stets an neue Erkenntnisse anpassen. Wie das geht kannst du auf den nächsten Seiten erfahren. 47

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Aufgabe 6 von 9 Überlege, welche Änderungen an Thomsons Modell vorgenommen werden müssten, damit es den Befunden von Rutherford entspricht. Zeichne die Ladungs-Verteilung in dein Labor-Tagebuch. 49

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Hilfe Wenn ein α-Teilchen die Atome der Gold-Folie durchdringt, dann kann dort nur leerer Raum sein. Wenn ein α-Teilchen abgelenkt wird, dann ist dort ein Hindernis. 52

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Hilfe Je mehr α-Teilchen die Gold-Folie durchdringen, desto mehr leerer Raum muss da sein, desto kleiner sind die „Hindernisse“. Zusatz-Info: Das Hindernis muss… • …im Verhältnis zum α-Teilchen ziemlich groß sein (sonst könnte keines zurückgeworfen werden), • …im Verhältnis zum Atom aber sehr klein sein (sonst dürften nicht so viele durch kommen). 54

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Lösung Skizze eines Atoms nach dem Kern-Hülle-Modell von Rutherford: Atom-Kern Atom-Hülle 56

Aufgabe 7 von 9 Beschreibe mit den Erkenntnissen aus dem Versuch das Kern -Hülle-Modell nach Rutherford in möglichst wenigen Sätzen. Notiere diese in dein Labor-Tagebuch. 57

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Lösung Der größte Teil des Atoms besteht aus leerem Raum. Der Teil heißt Atom-Hülle. Nur das Zentrum des Atoms ist fest. Er heißt Atom-Kern. Deswegen heißt Rutherfords Modell Kern-Hülle-Modell. 60

Aufgabe 8 von 9 Du weißt schon: 1. Positiv geladene α-Teilchen werden vom Kern zurück geworfen. 2. Im Atom sind positive und negative Ladungen enthalten. 3. Atome haben insgesamt keine Ladung. Auf den ersten Blick sieht es so aus, als ob die Fakten ziemlich widersprüchlich sind. Entscheide, wo die Ladungen und die Masse der Atome sitzen. Eine Bleistift-Skizze im Labor-Tagebuch könnte helfen. 61

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Hilfe Beachte besonders das Fakten-Pärchen 2 / 3. 64

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Lösung Der Atom-Kern muss positiv geladen sein, da er • die ebenfalls positiven α-Teilchen abstößt, und • die negative Ladung der Elektronen insgesamt aufheben muss. 66

Aufgabe 9 von 9 Fasse nun die Ergebnisse von Ernest Rutherford zu einem Atom-Modell zusammen. Du kannst mit der nächsten Karte kontrollieren, ob du alle Aussagen erfasst und die Grenzen erkannt hast. Dann ist diese Lern-Einheit abgeschlossen. Notiere wesentliche Aussagen in dein Labor-Tagebuch. 67

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Lösung Das Kern-Hülle-Modell nach Ernest Rutherford: • Es gibt einen Atom-Kern, in dem die positive Ladung steckt. Der Atom-Kern ist sehr klein. • Es gibt eine Atom-Hülle, in der die negative Ladung steckt. Im Verhältnis zum Kern ist die Hülle sehr groß. 70

Ergänzung I Zu Zeiten von Ernest Rutherford ging man davon aus, dass im Kern und in der Hülle Teilchen sind. Später konnte man diese Teilchen genauer beschreiben: • Im Kern sind Protonen. Jedes ist einfach positiv geladen. • In der Hülle sind Elektronen. Jedes ist einfach negativ geladen. • Die Zahl der Protonen und Elektronen muss gleich sein. Dann heben sich die Ladungen auf und das Atom ist insgesamt neutral. Das, was aber sehr überrascht, steht auf der nächsten Seite. 71

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Ergänzung II Das ist die Sache mit der Masse. Jeder Stoff hat Masse, also auch seine Atome. • Protonen haben die Masse 1 u (im Moment ist es egal, was u ist; die Masse in Gramm wäre eine lange, trotzdem sehr kleine Zahl). • Elektronen sind fast 2000 mal leichter. Das heißt, die Masse des gesamten Atoms kommt vom Kern. In der Hülle müssten fast 2000 Elektronen sein, um die Masse eines einzigen Protons zu ergeben. Darum glaubten die frühen Atom-Forscher, um den Kern herum sei praktisch „nichts“. Du wirst erst in 2 Jahren lernen, wie sich die Elektronen verteilen können, dass nie nichts da ist. 73

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Teste dich selbst (leicht) Begründe, wieso sich Elektronen aus einem Atom abspalten lassen. 75

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Lösung Lautet deine Erklärung etwa wie folgt? Der Atom-Kern zieht die sich schnell bewegenden Elektronen durch seine positive Ladung zwar an und hält sie im Atom. Da manche Elektronen aber doch weit vom Kern entfernt sein müssen, ist es möglich, die Anziehungs-Kraft zu überwinden. Dann liegst du richtig. 78

Teste dich selbst (schwerer) Begründe, warum Rutherford mit einer evakuierten (luftleeren) Kammer arbeiten musste. 79

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Lösung Die Kammer war zunächst mit Luft gefüllt. Luft ist ein Stoff. Gemisch aus verschiedenen Gasen, die selber auch aus Teilchen, also Atomen und Molekülen bestehen. Entfernt man die Luft nicht, können die α-Teilchen mit den Luft -Teilchen zusammenstoßen und gar nicht bis zur Gold-Folie vordringen. 82

Das sollte bleiben (2) Für Rutherford sah ein kleinstes Teilchen (Atom) so aus: • Es enthält einen Atom-Kern, in dem die positive Ladung steckt. Der Atom-Kern ist sehr klein (aber sehr schwer). • Es enthält eine Atom-Hülle, in der die negative Ladung steckt. Im Verhältnis zum Kern ist die Hülle sehr groß (aber sehr leicht). Rutherfords Modell heißt Kern-Hülle-Modell. Also warum Cowboy? Rutherford ballerte einfach mit α-Teilchen los und schloss aus den Querschlägern, was in der Goldfolie drin sein musste . 83

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Selbsteinschätzung Ordne dich gedanklich einem Smiley zu. Wie sicher kannst du beschreiben, wie sich Rutherford ein Atom vorstellte? • Hast du ein grünes Smiley gewählt, freu dich, alles perfekt. • Hast du ein gelbes Smiley gewählt, geh nochmals die Aufgaben, die Zusammenfassung oder die Lösungen durch. • Hast du ein rotes Smiley gewählt, frag den Betreuer bzw. Lehrer nach einem Rat. 85

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Entsorgung Die Modell-Teile bitte in die dafür vorgesehenen Stellen in der Kiste einräumen. 87

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Diese Anleitung wurde gefertigt von Ulrike Borken, Stefanie Schwind und Birgit Turowski. Im Rahmen des AK Selbst Organisiertes Lernen (SOL) in der Abteilung für Didaktik der Chemie an der Universität Bayreuth. Bildernachweis: [1]: http: //www. aequivalent. de/html/schuler. htm; Urheber: Holger Knopf, Stand 13. 06. 2016 [2]: http: //loc. gov/pictures/resource/ggbain. 36570/; Stand 17. 06. 2016 [3]: https: //commons. wikimedia. org/wiki/File: Ernest_Rutherford_1905. jpg? uselang=de; Unknown, published in 1939 in Rutherford : being the life and letters of the Rt. Hon. Lord Rutherford, O. M; Stand 13. 06. 2016 [4]: http: //www. phil-fak. uni-duesseldorf. de/philo/galerie/antike/demokrit. html; Stand 13. 06. 2016 [5]: https: //commons. wikimedia. org/wiki/File: John_Dalton. jpeg? uselang=de; Urheber: Joseph Allen; Stand 13. 06. 2016 [6]: https: //commons. wikimedia. org/wiki/File: Antoine_lavoisier_color. jpg? uselang=de; Urheber: Louis Jean Desire Delaistre, after Boilly; Stand 13. 06. 2016 [7]: https: //commons. wikimedia. org/wiki/File: Jj-thomson 2. jpg? uselang=de; Stand 13. 06. 2016 Alle weiteren Bilder und Graphiken wurden in der Abteilung Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth erstellt. 89