Abbi. 1. Streuversuch-Anordnung. Abb. 2. Schnitt: Goldatome und Alpateilchen(He-4).
Das Rutherfordsche Streuexperiment von 1911 kann als Ursprung der Kernphysik als auch der Atomphysik gesehen werden, da wissenschaftlich erstmals Atomkern und Atomhülle als zwei Bereiche eines Atoms definiert wurden. Ernest Rutherford (1871-1937) sah aufgrund der Ergebnisse des Streuversuchs ein Atom ähnlich wie ein Planetensystem aufgebaut, mit einem Atomkern als positiv geladenem Zentralkörper und negativ geladenen Elektronen in einer Atomhülle. Dieses Rutherfordsche Kern-Hülle-Atommodell ist bis heute Grundlage der wissenschaftlichen Atomvorstellung.
Erstaunlich ist, wie widerspruchsfrei Rutherfords Interpretation übernommen wurde und in ihren Grundzügen bis heute Gültigkeit besitzt. In der Fachliteratur wird seine Deutung fast wie ein unumstößlicher Beweis dargestellt. Betrachtet man jedoch den Versuchsaufbau und die Ergebnisse, so kann man feststellen, dass Rutherfords Interpretation nur eine von mehreren möglichen ist. In Rutherfords damaligem Experiment diente radioaktives Radium als Quelle für so genannte Alphateilchen (Helium-4), mit denen eine Goldfolie bestrahlt wurde. (Siehe Abbildung).
Fast alle vom Radium emittierten Heliumteilchen durchdrangen die Goldfolie problemlos. Nur wenige Alphateilchen wurden abgelenkt oder reflektiert, einige sogar in die entgegengesetzte Richtung. Rutherford schloss daraus, dass Atome aus kleinen, positiv geladenen Atomkernen und großen, fast leeren Atomhüllen bestehen. Nachuntersuchungen sollen ergeben haben, dass die Alphateilchen die Atomkerne der Goldfolie nicht einmal berührten und trotzdem abprallten (vgl. Resag, 10: 2014).
Rutherford ging davon aus, dass sich Heliumteilchen aufgrund einer elektrisch positiven Ladung vom Mutterkern abstoßen(vgl. Bleck-Neuhaus, 2145-2156: 2020). Deshalb wird heute noch radioaktive Strahlung auch als „ionisierende“ Strahlung bezeichnet(BFS 2023). Eine positive Ladung eines Atoms bedeutet nach heutiger Vorstellung, dass dem Atom ein oder mehrere Elektronen fehlen. Fraglich sind an Rutherfords Interpretation nicht nur die Festlegung auf kleine Atomkern-Kugeln und große Elektronenhüllen, sondern auch die Beschreibung der Alphateilchen.
Betrachtet man den Streuexperiment nach dem schachbrettartigen, planaren Atomaufbau, so ergibt sich eine andere Interpretation der Rutherfordschen Versuchsergebnisse: Demnach sind Goldatome Atomrechtecke die in Atomlagen übereinander gelagert sind. Einige Heliumteilchen, die mit hoher Geschwindigkeit in die Atomlagen eindringen, werden von einigen Goldatomen abgelenkt, ähnlich wie Tischtennisbälle von einem Tischtennisschläger. Da die Goldatome in ihren Atomlagen nicht starr angeordnet sind werden Helium-Geschosse auch abgefedert. Treffen die Heliumteilchen im 90°-Winkel auf die Goldatome, können sie bis zu 180° zur Teilchenquelle zurückgeworfen werden. Meistens werden die Heliumteilchen aber aufgrund ihrer kinetischen Energie die Atomschichten durchfliegen.
Abb. 3. Goldatom, persp. und Alphateilchen (He-4)
Nach der Theorie des schachbrettartigen, planaren Atombaus gibt es keine Elektronenhülle, also können die Heliumteilchen auch keine Elektronen verlieren. Helium-4 ist wegen seiner Proton-Neutron-Konfiguration ein Edelgas und nicht reaktiv. Der einzige Grund, warum He-4-Teilchen trotzdem eine „Ladung“ aufweisen können, ist vermutlich ihre Rotationsenergie, mit der sie von der Radiumquelle wegfliegen. Wie aus dem Stern-Gerlach-Experiment bekannt ist, gibt es zwei Möglichkeiten, wie ein beschleunigtes Teilchen magnetisch abgelenkt werden kann. Das gilt auch für die Alphateilchen, deren „Ladung“ deshalb auf ihrer hohen kinetischen Energie beruht, nicht auf fehlenden Elektronen.
Helmut Albert, Freiburg im Mai 2023
Quellenverzeichnis:
BFS (2023): Bundesamt für Strahlenschutz. Was ist ionisierende Strahlung? [online]https://www.bfs.de/DE/themen/ion/einfuehrung/einfuehrung.html. (Abgerufen: 31.05.2023)
Bleck-Neuhaus Jörn. Elementare Teilchen: Von den Atomen über das Standard-Modell bis zum Higgs-Boson (Springer-Lehrbuch) (German Edition) (Kindle-Positionen2145-2156). Kindle-Version.
Resag, Jörg (2014): Die Entdeckung des Unteilbaren. 2. Auflage. Springer Spektrum. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2010, 2014.
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