Das rutherfordsche Atommodell ist ein Atommodell, das 1911 von Ernest Rutherford aufgestellt wurde. Es korrigiert das thomsonsche Atommodell. Das bohrsche Atommodell baut auf dem rutherfordschen auf.
Elektronen: grün
Atomkern: rot
Entstehung
Vor dem rutherfordschen Streuversuch (1909) von Hans Geiger, Ernest Marsden und Ernest Rutherford war bekannt, dass Atome negativ geladene Elektronen und noch die gleiche Menge an positiver Ladung enthalten. Einen Erklärungsversuch für den Aufbau der Atome stellte das thomsonsche Atommodell dar. Demnach besteht das Atom aus einer gleichmäßig verteilten positiven Ladung und Elektronen, die sich darin bewegen. Der rutherfordsche Streuversuch zeigte, dass die positive Ladung und ein Großteil der Masse in einem Atomkern vereinigt ist und widerlegte damit dieses Atommodell.
Der Versuch
Rutherfords Mitarbeiter (Geiger und Marsden) führten einen Versuch mit Strahlen durch. Als Strahlenquelle diente Radium, das sich in einem Bleiblock befand. Eine Bohrung ließ einen Strom von alpha-Teilchen austreten, der auf eine Goldfolie traf. Erwartungsgemäß durchdrang der allergrößte Teil der alpha-Teilchen die Folie ungehindert. Überraschend war, dass wenige Teilchen beim Durchfliegen der Metallschicht stark abgelenkt und einzelne sogar zurückgeworfen wurden, als ob sie auf ein massives Zentrum im inneren der Atome gestoßen wären! Dieses massive Zentrum im Inneren des Atoms bezeichnete Rutherford als Atomkern.
Das Modell
Die positive Ladung und fast die gesamte Masse des Atoms liegen in einem kleinen Atomkern.
Außerhalb dieses Kerns befinden sich die Elektronen.
Im Raum zwischen Kern und der negativen Außenwand ist ein Vakuum.
Im neutralen Atom ist der Betrag der positiven Kernladung gleich dem Betrag der Ladung der Hülle.
Probleme
Die Probleme ergeben sich im Speziellen aus der Frage der Stabilität der Atome. So liegt hier die Annahme vor, dass die Elektronen sich auf einer Kreisbahn um den Atomkern bewegen. Die Zentripetalkraft wirkt hierbei auf die Elektronen, auf Grund der Wechselwirkung mit dem positiv geladenen Atomkern. Das Coulomb-Gesetz widerspricht aber der Vorstellung einer statischen Atomgröße, da im Coulomb-Feld alle erdenklichen Kreisbahnradien möglich wären.
Ein auf dieser Kreisbahn kreisendes Elektron entspräche einem Elektron im Hertzschen Dipol. Im Hertzschen Dipol werden jedoch elektromagnetische Wellen emitiert. Dies ist in zweierlei Hinsicht bei Atomen nicht beobachtbar. So ist keine elektromagnetische Strahlung messbar (ausgenommen sind radioaktive Stoffe). Ebenfalls müsste das Elektron bei Abgabe seiner Energie auf einer spiralförmigen Bahn in den Atomkern stürzen. Die maximale Lebensdauer eines Atoms wären in dem Falle 10-8 Sekunden. Dies ist unvereinbar mit der Erkenntnis, dass Atome stabil sind.
Ein drittes Problem besteht in der Erklärung von Emission und Absorption von Energiequanten. So kann mit dem Modell von Rutherford keine Erklärung für Spektralanalysen diverser Gase gemacht werden. Denn würde sich das Elektron auf einer spiralförmigen Kreisbahn dem Kern nähern, müsste sich die Umlaufgeschwindigkeit und somit auch die Frequenz stetig erhöhen. Das bedeutet, es würde alle kontinuierlichen Bereiche von Frequenzen durchlaufen. In Wirklichkeit sendet ein leuchtenes, atomares Gas aber ein unveränderliches Linienspektrum aus.
Zitate
E. Rutherford nach seinem Goldfolienexperiment: "... es war beinahe so unglaublich, als wenn man mit einem 15-Zoll-Geschoss auf ein Stück Seidenpapier schießt und das Geschoss zurückkommt und einen selber trifft."