Rutherford-Atommodell
Wir alle haben Pflaumen in einer Puddingmasse gesehen. Früher wurde angenommen, dass Elektronen in einem Atom auf positiv geladenen Bereichen verteilt sind, ähnlich wie Pflaumen in einem Pudding. Mit anderen Worten, es wurde angenommen, dass die positive Ladung das gesamte Atom durchdringt und die negativen Elektronen ungleichmäßig darauf verteilt sind, wie Pflaumen im Pudding. Dieses Konzept des atomaren Modells wird als Pflaumen-im-Pudding-Modell der Atome bezeichnet. Dieses Konzept wurde von J.J. Thomson eingeführt, der auch der Entdecker der Elektronen war. Laut dem Pflaumen-im-Pudding-Modell sind die positiven und negativen Ladungen eines Atoms im gesamten Körper des Atoms verteilt, und es darf keine konzentrierte Masse im Atom vorhanden sein.
Im Jahr 1899 entdeckte Ernest Rutherford von der Universität Manchester Alpha-Teilchen, die positiv geladene Helium-Ionen sind, die aus radioaktiven Substanzen wie Uran emittiert werden. Diese Alpha-Teilchen erzeugen helle Flecken, wenn sie auf einen Zinksulfid-beschichteten Schirm treffen. Da es keine konzentrierte Masse im Atom gibt, wurde vorausgesagt, dass, wenn ein dünnes metallisches Folienstück mit positiv geladenen Alpha-Teilchen beschossen wird, all diese Alpha-Teilchen die Folie ohne nennenswerte Ablenkung ihrer Bahn passieren würden.
Das kleine elektrische Feld, das in den Atomen entsteht, kann die Bewegung der Teilchen nicht stark beeinflussen. Es wurde daher vorausgesagt, dass die Ablenkung der Bahn der Alpha-Teilchen weniger als 1o betragen würde. Diese Vorhersage inspirierte Ernest Rutherford, Experimente durchzuführen, um das Pflaumen-im-Pudding-Modell der Atome zu überprüfen. Er wies seine Kollegen Ernest Marsden und Hans Geiger an, eine dünne metallische Folie mit Alpha-Teilchen zu beschreiben, um diese Vorhersage zu überprüfen. Wie angewiesen, führten Ernest Marsden und Hans Geiger ein Experiment durch und schrieben Geschichte. Sie plazierten eine sehr dünne Goldfolie vor einem Alphasteuerstrahlgerät. Sie stellten auch einen Zinksulfidschirm um die Goldfolie herum auf, um die hellen Flecken zu beobachten, die entstehen, wenn Alpha-Teilchen auf den Schirm treffen. Das Experiment fand in einem dunklen Raum statt. Während des Experiments beobachteten sie, dass, wie vorausgesagt, die Alpha-Teilchen die Folie durchquerten und auf den Zinksulfidschirm dahinter trafen.
Doch nachdem sie die hellen Flecken auf dem Schirm gezählt hatten, kamen sie zu einem unerwarteten Ergebnis. Nicht alle Alpha-Teilchen durchquerten die Folie in gerader Linie, wie erwartet. Ein sehr kleiner Prozentsatz der beschossenen Alpha-Teilchen änderte während des Durchquerens der Goldfolie ihre Bahn. Nicht nur wurden die Teilchen von ihrer Bahn abgelenkt, sondern einige wenige prallten sogar direkt zurück zum Quellort oder dem Alphasteuerstrahlgerät. Nach einer detaillierten Untersuchung der Beobachtungen reichten Ernest Marsden und Hans Geiger einen Bericht an Ernest Rutherford ein. Nach Prüfung und Studium ihres Berichts prognostizierte Rutherford ein anderes Modell des Atoms, das als Rutherford-Modell des Atoms bekannt ist.
Er prognostizierte, dass die Alpha-Teilchen, die direkt zurückprallten, mit einer viel schwereren Masse kollidiert sein müssen, und diese Masse müsse positiv geladen sein. Es wurde auch festgestellt, dass einige der abgelenkten Alpha-Teilchen nicht zurückprallten, sondern mit einem sehr großen Winkel abgelenkt wurden. Durch die Beobachtung verschiedener Ablenkungswinkel und der Anzahl der Teilchen, die mit diesen Winkeln abgelenkt wurden, prognostizierte er, dass die positiven Alpha-Teilchen auch von einer vergleichsweise großen konzentrierten positiven Ladung beeinflusst werden. Er stellte fest, dass die Konzentration der Masse und der positiven Ladung am selben Ort im Atom liegen, und zwar im Zentrum des Atoms, was er Kern des Atoms nannte. Er stellte auch fest, dass außer dem zentralen Kern der gesamte Raum im Atom leer ist.
Nach diesem Goldfolienexperiment gab Rutherford ein realistischeres Modell des Atoms. Dieses Modell wird auch als Kern-Atommodell oder Planetarisches Atommodell bezeichnet. Dieses Modell wurde im Jahr 1911 vorgestellt. Laut dem Rutherford-Atommodell ist fast die gesamte Masse eines Atoms in diesem Kern konzentriert. Dieser Kern ist positiv geladen und wird von kleinen, leichtgewichtigen, negativ geladenen Teilchen umgeben, die Elektronen genannt werden. Diese Elektronen umkreisen den Kern auf ähnliche Weise, wie Planeten die Sonne in einem planetaren System umkreisen. Deshalb wird dieses Modell auch als Planetarisches Atommodell bezeichnet.
Der Radius des Kerns beträgt etwa 10-13 cm. Der Radius des kreisförmigen Pfades, den die Elektronen um den Kern zurücklegen, beträgt etwa 10-12 cm, was größer als der Durchmesser eines Elektrons ist. Der Radius des Atoms beträgt etwa 10-8 cm. Somit ist, wie in einem planetaren System, das Atom auch von extrem offener Natur, was es ermöglicht, dass es von hochgeschwindigkeitspartikeln verschiedener Art durchdrungen werden kann. Das Rutherford-planetarische Atommodell ist in der folgenden Abbildung dargestellt-
Es existiert eine Anziehungskraft zwischen dem positiv geladenen Kern und den negativ geladenen Elektronen, die um den Kern kreisen. Diese elektrostatische Kraft zwischen dem positiv geladenen Kern und den negativ geladenen Elektronen ist ähnlich der Gravitationskraft der Anziehung zwischen Sonne und den um die Sonne kreisenden Planeten. Der größte Teil dieses planetaren Atoms besteht aus leerem Raum, der keinen Widerstand für den Durchgang positiv geladener kleiner Partikel wie Alpha-Teilchen bietet.
Der Kern des Atoms ist sehr klein, dicht und positiv geladen, was zur Streuung positiv geladener Partikel führt. Dieses Phänomen der Streuung positiv geladener Alpha-Teilchen durch den positiv geladenen Kern erklärt die Streuung positiv geladener Alpha-Teilchen durch die Goldfolie, wie von Ernest Rutherford beobachtet. Das Ernest-Rutherford-Atommodell ersetzte erfolgreich das Atommodell Thomsons Pflaumen-im-Pudding-Modell, das vom englischen Physiker Sir J.J. Thomson vorgeschlagen wurde.
Laut dem Ernest-Rutherford-Atommodell sind die Elektronen nicht an die Masse des Atoms gebunden. Die Elektronen sind entweder stationär im Raum oder rotieren in kreisförmigen Bahnen um den Kern. Wenn die Elektronen jedoch stationär wären, müssten sie aufgrund der Anziehungskraft zwischen Elektron und Kern in den Kern fallen. Andererseits, wenn die Elektronen sich in einer kreisförmigen Bahn bewegen, dann wäre laut der elektromagnetischen Theorie, die beschleunigte Ladung des Elektrons würde kontinuierlich Energie verlieren und in den Kern fallen, wie in der folgenden Abbildung gezeigt. Das Rutherford-Atommodell kann nicht erklären, warum die Elektronen nicht in den positiv geladenen Kern fallen.
Somit können die Mängel des Rutherford-Atommodells wie folgt beschrieben werden-
Das Rutherford-Atommodell erklärt nicht die Verteilung der Elektronen in den Bahnen.
Das Rutherford-Atommodell erklärt nicht die Stabilität des Atoms als Ganzes.
Die oben genannten Mängel des Rutherford-Atommodells wurden durch das Bohr-Atommodell (1913) überwunden.
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