Big Bang 7, Schulbuch

94vk7t 66 RG 7.2 G 7.2 Kompetenzbereich Atomphysik Das moderne Atommodell 34 Der griechische Philosoph D EMOKRIT meinte vor rund 2400 Jahren salopp gesagt, dass alle Stoffe aus winzigen, unteilbaren Kügelchen bestehen. Aus dem griechischen Wort „atomos“ (= unteilbar) leitet sich das heute gebräuchliche Wort Atom ab. Demokrits Modell hielt im Prinzip bis Ende des 19. Jahrhunderts, also rund 2300 Jahre lang! Dann ging es aber Schlag auf Schlag, denn innerhalb von knapp 30 Jahren wurde über mehrere Zwischenstufen jenes Atommodell entwickelt, das noch heute seine Gültigkeit besitzt. Es basiert auf den Erkenntnissen der Quantenmechanik (siehe Kap. 33 ab S. 53). Dieses quantenmechanische Atommodell wirft ein Problem auf: Es ist sehr unanschaulich. Auf die Frage, wie man sich ein Atom vorstellen soll, hat W ERNER H EISENBERG angeblich einmal geantwortet: „Versuchen Sie es erst gar nicht!“ Aus diesem Grund findet man heute noch auf sehr vielen Abbildungen das veraltete Atommodell, bei dem die Elektronen den Kern umkreisen, ähnlich wie Planeten die Sonne (Abb. 34.1 und Abb. 34.2). Dieses Modell widerspricht vielen experimentellen Eigenschaften des Atoms. Es ist aber das letzte anschauliche Atommodell und hat wohl aus diesem Grund all die Jahrzehnte überdauert. Bevor wir das moderne Atommodell ab S. 68 unter die Lupe nehmen, werden wir trotzdem einen kurzen Blick auf alte Modelle werfen, obwohl sie den tatsächlichen Eigenschaften der Atome nicht gerecht werden. Das hat aber einen guten Grund: Die Entwicklung des Atommodells ist ein sehr schönes Beispiel dafür, wie in der Physik generell Modelle mit der Zeit immer wieder verbessert werden, indem man Experimente und theoretische Über- legungen einbezieht. Abb. 34.1: Die Flagge der Internationalen Atom-Energie-Behörde (International Atomic Energy Agency, IAEA) zeigt ein Atom mit umlaufenden Elektronen, quasi ein Mini-Planetensystem. Wir wissen seit über 80 Jahren, dass diese Vorstellung falsch ist! 34.1 Rasen betreten verboten Atommodelle vor der Quantenmechanik Wir werfen hier einen kurzen Blick auf die historischen Atommodelle zwischen 1897 und 1913. Natürlich sind diese aus heutiger Sicht nicht richtig, aber es geht darum zu zeigen, wie durch experimentelle Ergebnisse und theore- tische Überlegungen diese Modelle verbessert und an die Wirklichkeit angepasst wurden. Das Atommodell der kleinen unteilbaren Kugeln von Demo- krit hielt von der Antike bis 1897. In diesem Jahr konnte der britische Physiker J OSEPH J. T HOMSON im Experiment die Exis- tenz von Elektronen nachweisen. Damit war natürlich das Modell von D EMOKRIT erledigt, denn man hatte nun einen Beleg dafür, dass Atome doch noch weiter teilbar sind. Was versteht man in der Physik unter Beschleuni- gung? Lies nach in „Big Bang 5“! Was entsteht, wenn man Ladungen, wie zum Beispiel Elektronen, beschleunigt? Sieh nach in Kap. 28.1, S. 14! Was versteht man unter α -, β - und γ -Strahlung? Woraus „besteht“ diese Strahlung? Lies ab Kap. 5.4 in „Big Bang 5“ nach! Warum schießt man in einem Teilchenbeschleuniger Teilchen aufeinander? Was will man dadurch errei- chen? Es gibt einen prinzipiellen, nicht quantenmechani- schen Grund, der dagegen spricht, dass die Elektronen um den Kern kreisen! Welcher könnte das sein? F1 W1 F2 W1 F3 W1 F4 E1 F5 E2 Thomson vermutete, dass Atome aus einer gleich- mäßig verteilten positiven Ladung und den negativ geladenen Elektronen be- stehen, die sich darin wie Rosinen in einem Kuchen befinden. Deshalb nannte man das Modell auch Rosinenkuchenmodell (Abb. 34.2). Abb. 34.2: Wichtige Stationen in der Entwicklung des Atommodells (siehe auch Tab. 34.1, S. 68): Du siehst, der Weg von den harten Kugeln bis zum moder- nen Modell dauerte nur etwa 30 Jahre! Etwa 10 Jahre später konnte E RNEST R UTHERFORD aber in einem Experiment zeigen, dass auch das Ro- sinenkuchenmodell nicht stimmen kann. Er stellte nämlich fest, dass die Masse im Atom keines- wegs gleichmäßig verteilt, sondern auf einen über- aus winzigen positiven Kern konzentriert ist, der nur etwa 10 –14 m groß ist. Um diesen Kern kreisen laut Rutherford die Elektronen, so dass der Durchmesser des gesamten Atoms bei rund 10 –10 m liegt. Info: Das Rutherford-Experiment Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv