Physik 9 · Struktur der Materie

Rutherford-Streuung

Um 1910 stellte man sich das Atom als Kugel aus positiver Masse vor, in der die Elektronen wie Rosinen stecken. Geiger und Marsden schossen im Labor von Rutherford Alphateilchen auf eine dünne Goldfolie. Fast alle flogen fast gerade hindurch, aber einige wenige prallten sogar zurück. Das geht nur, wenn die positive Ladung und fast die ganze Masse in einem winzigen Kern sitzen.

So gehst du vor

1Ziehe in Teil A den Punkt α und beobachte, wie die Ablenkung vom Stoßparameter b abhängt.
2Ziehe in Teil B den Detektor auf einen Winkel und tippe „Zählen“.
3Übernimm die Impulszahl in die Tabelle. Miss so bei mehreren Winkeln.
4Schalte auf „Vorhersage Rosinenkuchen“ und zähle noch einmal.
5Vergleiche selbst. Erst dann die Auswertung zeigen.

A Ein Alphateilchen am Kern

Ziehe den Punkt α nach oben oder unten. b heißt Stoßparameter: So weit würde das Teilchen ohne Kraft am Kern vorbeifliegen. 1 fm (Femtometer) sind 10⁻¹⁵ m. Die grauen Bahnen gehören zu anderen b.

Folie

Energie E des Alphateilchens

5,5 MeV

Stoßparameter b

30 fm

Läuft mit

Ablenkung θ = 69,2°

Kleinster Abstand zum Kern: 57,1 fm

Frontalstoß (b = 0): bis auf 41,4 fm

Radius des Goldkerns: etwa 7,0 fm

B Streukammer: Wie viele Teilchen kommen unter welchem Winkel an?

Winkel

30 °

Impulse in 60 s

–

Die Kammer ist luftleer, denn Alphateilchen kämen in Luft nur wenige Zentimeter weit. Im Bild sind die großen Ablenkungen weit häufiger als in Wirklichkeit, die Zählung ist richtig gerechnet. Sie läuft im Zeitraffer, die Impulse streuen zufällig.

Was soll der Detektor zeigen?

Winkel θ

30 °

Dicke der Folie d

1,0 µm

Torzeit

In die Tabelle kommt immer die Impulszahl je 60 s. Bei 300 s Torzeit wird durch 5 geteilt.

Auswertung: Impulse N und Winkel θ

Diagramm

Miss bei mindestens sechs Winkeln zwischen 20° und 170°, alle mit derselben Folie und Energie.

Nr.	Winkel θ in °	Impulse N je 60 s

Aufträge

Gold, 5,5 MeV: Suche den Stoßparameter, bei dem das Teilchen genau um 90° abgelenkt wird. Wie groß ist er im Vergleich zum Atomradius von etwa 140 000 fm?
Stelle b = 0 ein. Wie nah kommt das Teilchen dem Goldkern? Was folgt daraus für die Größe des Kerns?
Verdopple die Energie von 4 MeV auf 8 MeV. Wie ändert sich der Abstand beim Frontalstoß?
Zähle bei 30°, 60°, 90° und 150° je 60 s lang. Was wäre nach dem Rosinenkuchen-Modell zu erwarten? Warum beweist schon ein einziger Impuls bei 150° den Kern?
Vergleiche die Impulse bei 30° für Gold und Aluminium. Gold hat die Ordnungszahl 79, Aluminium 13. Welcher Zusammenhang passt?
Stelle dir ein Atom so groß wie ein Fußballstadion vor (Durchmesser 200 m). Wie groß wäre dann der Kern, wenn das Atom etwa 20 000-mal größer ist?

Theorie: Kapitel „Atommodelle“. Die Energie 5,5 MeV entspricht einem Alphateilchen aus Americium-241.