Rutherford-Streuung

Der neuseeländische Physiker Ernest Rutherford führte im Jahre 1911 einen berühmten Versuch zur Struktur des Atoms durch. Er bestrahlte eine dünne Goldfolie mit Alphastrahlen (also mit Heliumkernen hoher Geschwindigkeit, wie sie bei etlichen radioaktiven Stoffen auftreten) und untersuchte die Verteilung der Streuwinkel. Man versteht darunter den Winkel, um den sich die Bewegungsrichtung eines Alphateilchens ändert, wenn es an einem Atomkern der Folie vorbeifliegt.

Diese App simuliert die Bewegung eines Alphateilchens unter dem Einfluss der abstoßenden elektrischen Kraft (Coulomb-Kraft), die ein einzelner Atomkern der Goldfolie auf das Alphateilchen ausübt. Das Teilchen bewegt sich (näherungsweise) auf einer Hyperbel, wobei der streuende Atomkern sich in einem der beiden Brennpunkte der Hyperbel befindet.

Die Schaltfläche auf der rechten Seite enthält zwei Schaltknöpfe, einen zum Löschen der bisher dargestellten Teilchenbahnen, einen zum "Starten" eines einzelnen Alphateilchens. Für den streuenden Atomkern kann die Kernladungszahl (Ordnungszahl) eingegeben werden. Beim Alphateilchen lassen sich Geschwindigkeit und Stoßparameter (Abstand des streuenden Atomkerns von den beiden Asymptoten der Hyperbel) variieren. Eingaben außerhalb des erlaubten Bereichs werden automatisch abgeändert. Unterhalb der Eingabefelder werden die Werte des Streuwinkels und des minimalen Abstands angegeben. Hierbei wird die Einheit Femtometer (fm) verwendet: 1 fm = 10−15 m. Mithilfe zweier Optionsfelder wird festgelegt, ob neben den beteiligten Atomkernen und der Bahn des Alphateilchens auch Asymptoten, Stoßparameter und Streuwinkel dargestellt werden sollen.

HTML5-Canvas nicht unterstützt!

Bei der Auswertung des Versuchs wich die gemessene Verteilung, wie erwartet, für sehr kleine Streuwinkel (das heißt große Werte des Stoßparameters) deutlich von der berechneten Verteilung ab. Diese Abweichungen lassen sich durch den Einfluss der Elektronen erklären.

Für größere Streuwinkel (kleinere Stoßparameter) stimmte die gemessene Verteilung sehr gut mit der vorausberechneten Verteilung überein. Diese Tatsache zeigt, dass die im Atom vorhandene positive Ladung (also der Atomkern) eine sehr geringe Ausdehnung hat. Salopp ausgedrückt: Atome sind zum größten Teil "leer".