Rutherford-Streuversuch Mindmap

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Der Rutherford-Streuversuch von 1909 bis 1911 zeigte, dass Atome aus einem winzigen, positiv geladenen Kern und einer weitgehend leeren Hülle bestehen. Alpha-Teilchen, die auf eine dünne Goldfolie trafen, wurden meist kaum abgelenkt, selten aber stark zurückgestreut. Dieses Ergebnis widerlegte das Thomsonsche Atommodell und führte zum Kern-Hülle-Modell, das die Grundlage der modernen Atomphysik bildet.

Aufbau und Durchführung
Beim Experiment schossen Geiger und Marsden unter Rutherfords Leitung Alpha-Teilchen aus einem radioaktiven Präparat auf eine extrem dünne Goldfolie. Ein um die Folie drehbarer Zinksulfid-Schirm leuchtete bei jedem Auftreffen eines Alpha-Teilchens kurz auf, sodass die Ablenkwinkel ausgezählt werden konnten. Die Wahl von Gold war praktisch: Es lässt sich zu sehr dünnen Folien auswalzen und hat eine hohe Kernladungszahl, wodurch die elektrische Abstoßung besonders stark wirkt. Das Vakuum im Apparat verhinderte Stöße der Alpha-Teilchen mit Luftmolekülen, die das Ergebnis verfälscht hätten.

Das überraschende Ergebnis
Nach dem Thomsonschen Atommodell, in dem Ladung und Masse gleichmäßig verteilt waren, hätten Alpha-Teilchen nur geringe Ablenkungen erfahren dürfen. Tatsächlich flogen die meisten Teilchen fast geradlinig durch die Folie, aber etwa eines von mehreren Tausend wurde um mehr als 90 Grad abgelenkt, einige sogar nahezu zurück. Rutherford beschrieb dies später als außergewöhnlich überraschend, vergleichbar mit einer Kugel, die von einem Blatt Papier abprallt. Die starke Rückstreuung war nur erklärbar, wenn eine große positive Ladung und Masse in einem sehr kleinen Raumbereich konzentriert sind.

Vom Kern-Hülle-Modell zur Quantenphysik
Rutherfords Kern-Hülle-Modell von 1911 erklärt die Beobachtungen: Der Kern trägt fast die gesamte Masse und die positive Ladung, während die Elektronen die Hülle bilden, die zum größten Teil leer ist. Aus der Streuung ließ sich abschätzen, dass der Kern sehr viel kleiner ist als das Atom selbst. Das Modell hatte jedoch einen klassischen Schwachpunkt: Auf Kreisbahnen um den Kern müssten Elektronen ständig elektromagnetische Wellen abstrahlen und stürzen. Niels Bohr löste dieses Problem 1913 mit quantisierten Elektronenbahnen und begründete damit die moderne Atomphysik.

Rutherford-Streuformel und heutige Bedeutung
Die Rutherford-Streuformel gibt an, wie häufig Alpha-Teilchen unter einem bestimmten Winkel abgelenkt werden: Die Zahl sinkt stark mit dem Ablenkwinkel und hängt von der Kernladungszahl, der Energie der Teilchen und der Foliendicke ab. Sie gilt für die reine Coulomb-Streuung, solange die Teilchen den Kern nicht tatsächlich berühren. Bei höheren Energien treten Abweichungen auf, die Aufschluss über Kernstruktur und Kernkräfte geben. Das Prinzip der Streuung ist bis heute zentral: Spätere Streuexperimente mit Elektronen und Protonen enthüllten die Struktur von Kernen und Nukleonen.