【Programm zur kreativen Förderung】Rutherford: Was befindet sich im Zellkern? Öffnen Sie es und sehen Sie

Autor: Tian Dawei

Dank der gemeinsamen Anstrengungen von Dalton, Brown, Einstein und Perrin ist die Menschheit zu einem Konsens gelangt: Atome existieren.

Doch Daltons moderne Atomtheorie besagt, dass „Atome unteilbar sind“. Die von den Menschen genutzte Kernenergie stammt aus der Energie im Inneren des Atomkerns. Als nächstes ist es unbedingt erforderlich, den Zellkern zu öffnen und die darin enthaltene Struktur herauszufinden. Sind Atome also wirklich die kleinsten Einheiten, aus denen Materie besteht? Können Atome weiter zerlegt werden?

Es waren drei Generationen von Lehrern und Schülern: Joseph Thomson, Ernest Rutherford und James Chadwick, die dieses Problem lösten.

Plumpudding-Modell: Den ersten Schleier der Atome lüften

Der erste Wissenschaftler, der die innere Struktur des Atoms entdeckte, war Thomson.

Als Thomson Betastrahlen untersuchte, entdeckte er, dass Betastrahlen aus einer Art negativ geladener Teilchen bestehen, die als Elektronen bezeichnet werden.

Thomson glaubte, dass es in jedem Atom solche Elektronen geben sollte. Darüber hinaus schlug Thomson sein Rosinenpudding-Atommodell vor: Jedes Atom ist wie ein Rosinenpudding, die positive Ladung ist wie beim Pudding gleichmäßig im Atom verteilt und die negativ geladenen Elektronen sind wie Rosinen über den Pudding gestreut.

Obwohl dieses Modell in Lehrbüchern keine hohe Wertschätzung erfährt und nur kurz erwähnt wird, hat es dennoch eine wichtige eigene Bedeutung. Es veranschaulicht, dass Atome weiter zerlegt werden können. Die Aufgabe der weiteren Zerlegung wurde seinem Schüler Rutherford übertragen.

Rutherfords Atommodell

Als Rutherford 1901 das radioaktive Element „Thorium“ untersuchte, entdeckte er, dass Thorium Alphastrahlen aussenden kann. Noch überraschender war, dass sich Thorium nach dem Zerfall in ein anderes Element verwandelte.

Die Vorstellung, dass ein Element in ein anderes umgewandelt werden kann, existierte früher nur in der Fantasie der Alchemisten, doch nun hat Rutherford sie tatsächlich bestätigt. Für diese bedeutende Entdeckung erhielt Rutherford 1908 den Nobelpreis für Chemie.

Übrigens war Rutherford nicht glücklich, nachdem er den Nobelpreis für Chemie gewonnen hatte. Er war der Meinung, dass ihm als Physiker unbedingt der Nobelpreis für Physik zustehen würde.

Doch der Nobelpreis war für Rutherford nicht wichtig. Durch seine Forschungen zu radioaktiven Elementen stellte er eines fest: Die von radioaktiven Elementen freigesetzte Energie stammt aus dem Inneren des Atoms. Damals glaubten viele Menschen, darunter auch Madame Curie, dass die Energie radioaktiver Substanzen von außen absorbiert würde. Rutherford war also der Meinung, dass Madame Curie nicht genug über Radioaktivität wusste.

Wenn aus dem Inneren eines Atoms verschiedene Arten von Strahlen ausgesandt werden können, deutet dies auf eines hin: Das Atom kann weiter zerlegt werden.

Was befindet sich also im Inneren eines Atoms? Also begann Rutherford, Atome mit Alphateilchen zu bombardieren. Dies ist das berühmte „Goldfolienexperiment“.

Im Jahr 1908 bombardierte Rutherford mit Hilfe seines Assistenten Geiger weiterhin Goldfolie mit Alphateilchen. Sie stellten fest, dass die meisten Alphateilchen beim Durchgang durch die Goldfolie geradeaus hindurchgingen, eine kleine Anzahl von Teilchen jedoch abgelenkt wurde (Rutherford nannte dies Streuung) und eine sehr kleine Anzahl von Teilchen sehr stark abgelenkt wurde.

Es muss einen Grund für dieses anormale Phänomen geben, daher konzentrierte Rutherford seine Forschung auf diese Teilchen mit großen Ablenkungen. Er bat seine Assistenten sogar, nach zurückgeworfenen Alphateilchen zu suchen. Obwohl Rutherford selbst nicht viel Hoffnung hegte, entdeckte sein Assistent tatsächlich, dass sehr, sehr kleine Partikel direkt zurückprallten.

In Rutherfords eigenen Worten war es, als würde man mit einer Kanone auf ein Stück Seidenpapier schießen, die Kanonenkugel prallte jedoch vom Seidenpapier ab. Diese zurückprallenden Partikel, die wie Kanonenkugeln wirkten, beflügelten Rutherfords Vorstellungskraft.

Rutherford wusste damals bereits, dass Alphateilchen positive Ladungen tragen. Wenn es zu einer so großen Auslenkung kam, bestand die Möglichkeit darin, dass sie einer sehr starken elektromagnetischen Kraft ausgesetzt waren. Das zurückprallende Teilchen müsste dort auftreffen, wo die Ladung konzentriert ist, also im Atomkern.

Berechnungen zufolge müsste der Atomkern sehr, sehr klein sein, etwa wie ein Tennisball im Vogelnest-Stadion.

Allerdings sollte nach dem Rosinenpudding-Modell seines Lehrers Thomson die positive Ladung im Atom gleichmäßig verteilt sein und an keiner Stelle eine so konzentrierte positive Ladung vorhanden sein. Könnte es sein, dass das, was der Lehrer vorher gesagt hat, falsch war?

Rutherford war ein äußerst rigoroser Mensch und hatte es nicht eilig, seine Entdeckung öffentlich zu machen. Er verbrachte fast vier Jahre damit, eine große Menge an Daten zu bestätigen, und nachdem er bestätigt hatte, dass es narrensicher war, wurde das Rutherford-Modell erstmals im Jahr 1911 veröffentlicht.

Rutherford glaubte, dass Atome nicht unzerstörbar seien. In der Mitte eines Atoms befand sich ein winziger positiv geladener Kern, und außerhalb davon rotierten Elektronen mit hoher Geschwindigkeit um ihn herum.

Im Moment hatte Rutherford Wichtigeres zu tun. Er musste herausfinden, was sich im Inneren des Atomkerns befindet.

Rutherford bombardierte weiterhin andere Atome mit seinen geliebten Alphateilchen. Beim Beschuss von Stickstoffatomen entdeckte Rutherford das Phänomen, dass bei der Kollision von Alphateilchen mit Stickstoffatomen Wasserstoffkerne entstanden, aus denen später Protonen wurden.

Die Tatsache, dass Wasserstoffkerne herausgeschlagen werden können, weist darauf hin, dass Wasserstoffkerne Bestandteile von Stickstoffkernen sein könnten. Darüber hinaus ist die Masse des Wasserstoffkerns sehr gering und die Massen anderer Atomkerne sind ganzzahlige Vielfache davon. Ist es möglich, dass der Wasserstoffkern ein Bestandteil aller Atomkerne ist?

Wenn ja, wäre dies eine weitere bedeutende Entdeckung.

Im Jahr 1920 gab Rutherford seine Entdeckung bekannt, dass der Wasserstoffkern die Grundeinheit aller Atomkerne ist. Er gab dieser Grundeinheit einen Namen: Proton[1].

Aber Rutherford blieb vorsichtig. Nachdem er die Entdeckung bekannt gegeben hatte, gab er das Ergebnis nicht sofort bekannt. Stattdessen beauftragte er einen anderen Physiker, Patrick Blackett, mit weiteren Untersuchungen zur Überprüfung seiner Hypothese.

Nachdem sie mehr als 400.000 Spuren auf 23.000 Fotos beobachtet hatten, fanden sie acht besondere Spuren. Wieder einmal machte Rutherford durch die Anomalie eine bedeutende Entdeckung. Diese acht Spuren zeigten, dass Wasserstoffkerne tatsächlich Bestandteile der Kerne anderer Elemente waren (diese acht Spuren zeigten, dass nach der Kollision von Stickstoffkernen und Alphateilchen extrem instabile Fluoratome gebildet wurden und dann in einen Sauerstoffkern und einen Wasserstoffkern zerfielen).

Dann, im Jahr 1920, gab Rutherford seine Entdeckung bekannt: Der Wasserstoffkern ist die Grundeinheit, aus der alle Atomkerne bestehen. Er gab dieser Grundeinheit einen Namen: Proton[1].

Damit wurde das wichtigste Teilchen im Atomkern entdeckt.

Die Curies passieren Neutronen

Nachdem Rutherford das Proton entdeckt hatte, entdeckten er und sein Assistent Chadwick ein weiteres magisches Phänomen.

Der Kern eines Stickstoffatoms wiegt etwa 14-mal so viel wie der eines Wasserstoffatoms (entspricht ungefähr dem Gewicht von 14 Protonen), hat aber nur 7 Elektronen. Wenn der Kern nur Protonen enthielte, müsste das Stickstoffatom geladen sein, was jedoch unwahrscheinlich ist. Daher spekulierte Rutherford, dass es im Kern eine Art ungeladenes neutrales Teilchen geben müsse, dessen Gewicht dem eines Protons ähnelte.

Dieses neutrale Teilchen ist das Neutron. Doch bislang handelte es sich dabei lediglich um Spekulationen und Rutherford hatte keinen direkten Beweis für die Existenz des Neutrons.

Die ersten, die diesen Beweis entdeckten, waren zwei deutsche Wissenschaftler, Walther Bothe und Herbert Becker.

1930 bombardierten sie Lithium, Beryllium, Bor und andere Elemente mit Alphateilchen. Nach dem Bombardement entdeckten sie eine seltsame Art von Strahl. Die Strahlen waren sehr energiereich und hatten keine elektrische Ladung. Sie glaubten, dass es sich um Gammastrahlen (eine Art elektromagnetischer Strahlung) handelte[2].

Einigen Dokumenten zufolge waren die ersten Menschen, die Hinweise auf Neutronen entdeckten, Madame Curies Tochter und Schwiegersohn, also die Curies. Dies ist jedoch nicht der Fall. Die Curies begannen jedoch bald, diese Strahlung zu untersuchen und nutzten sie, um andere Substanzen zu bombardieren und Protonen mit sehr hoher Energie zu erzeugen.[3]

Leider stellten sie nicht die Frage, ob es sich bei den Strahlen selbst um Gammastrahlen handelte. Sie haben also das Neutron und eine Nobelpreismedaille verpasst.

Rutherfords Assistent Chadwick war sich durchaus bewusst, dass es sich bei dieser Strahlenart überhaupt nicht um einen Gammastrahl handelte, sondern um das von Rutherford vorhergesagte Neutron. Also wiederholte Chadwick das Experiment schnell und bewies, dass die Strahlen aus kleinen, ungeladenen Teilchen bestanden, deren Masse sehr nahe an der von Protonen lag, was die Existenz von Neutronen bestätigte. Für diese Entdeckung erhielt Chadwick 1935 den Nobelpreis für Physik.

Übrigens fand auch ein anderer Wissenschaftler namens Lawrence Probleme mit den Erklärungen von Walther Bothe und den Curies und widmete sich ebenfalls der Forschung, blieb aber immer noch einen Schritt hinter Chadwick zurück. Später leistete Lawrence jedoch durch eine andere Forschung einen äußerst bedeutenden Beitrag zur Entwicklung der Kernenergie für die Menschheit und erhielt dafür auch seinen eigenen Nobelpreis. Wir werden später noch einmal auf ihn zurückkommen.

Zu diesem Zeitpunkt entdeckten die Menschen nicht nur Protonen und Neutronen im Atomkern, sondern wussten auch, dass sich durch eine Änderung der Zusammensetzung des Atomkerns eine Substanz in eine andere umwandeln lässt.

Als nächstes werden die Menschen beginnen, in den Zellkern zu greifen und die Energiefrüchte im Inneren des Kerns zu pflücken.

Quellen:

[1] Romer A (1997). „Proton oder Proton? Rutherford und die Tiefen des Atoms“. Amerikanisches Journal für Physik. 65 (8): 707.

[2] Bothe, W.; Becker, H. (1930). „Künstliche Erregung von Kern-γ-Strahlen“. Zeitschrift für Physik. 66 (5–6): 289–306.

[3] Joliot-Curie, Irène & Joliot, Frédéric (1932). „Emission von Hochgeschwindigkeitsprotonen durch hydrierte Substanzen unter dem Einfluss sehr durchdringender γ-Strahlen“. Konten übertragen. 194: 273.