Streuung von α-Teilchen an Atomkernen
Ein häufig benutztes Konzept der Physik zur Erforschung von Materie ist das der Streuung. Dabei werden bekannte Teilchen auf ein zu analysierendes Stück Materie, das man als Target bezeichnet, geschossen und die gestreuten Teilchen in dem Raum detektiert.
Rutherford verwendete als Geschosse $\alpha$-Teilchen; dabei handelt es sich um zweifach positiv geladene Helium-Kerne, die beim radioaktiven Zerfall aus Kernen emittiert werden (siehe auch Abschnitt zum radioaktiven Zerfall). Im Versuch betrug die kinetische Energie der $\alpha$-Teilchen ungefähr 6 MeV ($10^6$ eV) und als Target wurde eine Goldfolie verwendet.
Methode
Rutherfords Ergebnis:
Mit Hilfe seiner Anordnung konnte Rutherford die Winkelverteilung der Streustrahlung genau untersuchen.
- Die meisten $\alpha$-Teilchen durchdringen die Goldfolie nahezu ungehindert. Teilweise finden jedoch große Ablenkungen und sogar Reflexionen statt. Dies deutet auf positive Ladungen innerhalb des Atoms hin, die $\alpha$-Teilchen abstoßen.
- Aus der Streuverteilung der reflektierten Teilchen (Streuwinkel $\theta=180°$) ergibt sich, dass die positive Ladung auf einem sehr kleinen Raum konzentriert ist.
- Die Masse der positiv geladenen Streuzentren muss sehr viel größer als die Masse der $\alpha$-Teilchen sein. Dies ergibt sich aus der Verringerung der kinetischen Energie der $\alpha$-Teilchen.
Das bedeutet dann:
Merke
Das Atom besitzt einen positiv geladenen Kern, der auf einem sehr kleinen Raum (Kernradius: $\approx 10^{-14}$m) konzentriert ist und nahezu die gesamte Masse des Atoms darstellt.
Die Anzahl der positiven Ladungen im Kern wird durch $Z$ angegeben und heißt Kernladungszahl.
In der Atomhülle bewegen sich die Elektronen, welche die Kernladung kompensieren und das Atom nach außen hin elektrisch neutral erscheinen lassen.
Eine typische Aufgabe könnte lauten:
Beispiel
Warum kann man aus der Rückwärtsstreuung (Streuwinkel $\theta=180°$) der $\alpha$-Teilchen auf den Kernradius schließen bzw. ihn abschätzen?
Antwort: Teilchen, die bei der Streuung zurückreflektiert werden, verlieren ihre gesamte kinetische Energie in der Nähe des Kerns und kommen daher dem Kern am nächsten. Dabei wird ihre kinetische Energie vollständig in die (elektrische) potentielle des Kerns umgewandelt. Schließlich werden sie dann vom Kern weggestoßen und somit um $180°$ gestreut.
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