ppt - Ruhr-Universität Bochum

Die Rutherford‘schen
Streuexperimente
Seminarvortrag
von
Christopher Kükenbrink
Ruhr-Universität Bochum
2014
Inhalt
- Steckbrief Rutherford‘s
- Wichtige Entdeckungen vor/um 1900
- Der Aufbau der Atome
- Rutherford‘s Streuversuche und –Formel
- Video + Demoversuch
Steckbrief: Leben
- Geboren 1871 in Spring Grove, Nelson/Neuseeland
- Ab 1889 Stipendium und Studium an der University of New
Zealand in Wellington, Mathematik und Physik
- 1894 erneutes Stipendium, das ihm eine Arbeitsstelle am
Cavendish-Laboratorium an der Trinity College in
Cambridge/England einbrachte
- 1898 Berufung als Professor für Physik an die McGill University
in Montreal/Kanada.
-1907 Rückkehr nach England, Professorenstelle für Physik an der
Universität in Manchester
- 1908 Verleihung des Nobelpreises für Chemie
- Ab 1919 leitete er das Cavendish-Laboratorium in Cambridge
- 1914 Ernennung zum Ritter, 1931 zum Baron
- Gestorben 1937 überraschend an einem Nabelbruch in
Cambrigde
Steckbrief: Forschung
- 1894: „Magnetization of Iron by High-Frequency Discharges“
- 1895: „Magnetic Viscosity“ (führte zur Entwicklung des
Radiowellenempfängers)
- Ab 1898: neues Forschungsfeld: natürliche Radioaktivität
(Becquerel):
- Entdeckung zweier unterschiedlicher
Komponenten in der Strahlung von Pechblende: αund β-Strahlung
- Aufstellung Zerfallsgesetz (1900)
- Identifikation der α-Strahlen: so reaktionsträge
wie Helium-Atome, jedoch positiv geladen
(Vermutung 1903, Nachweis 1908)
- Ab 1907: Streuversuche der Strahlung von gasförmigem
Radon an Targets
- 1911: "The Scattering of Alpha- and Beta-Particles by Matter
and the Structure of the Atom“ -> Begriff des Nukleus
- 1919: Erste künstliche Kernumwandlung durch Beschuss von
Stickstoff mit Alpha-Teilchen
Wichtige Entdeckungen vor/um 1900
Kanal- und Kathodenstrahlung
-1869: Hittorf beobachtet in Gasentladungsröhren Strahlen, die sich von der Kathode aus
(=Kathodenstrahlung) geradlinig ausbreiten (z.B. Schattenkreuzröhre)
- Thompson: Ablenkung durch Magneten möglich -> negative Ladung der Strahlung
- 1886: Goldstein entdeckt ähnliche Strahlung von der Anode: Kanalstrahlung
- Ablenkung im Magnetfeld in die andere Richtung: positiv geladen
- Durch Messungen von Thompson: Verhältnis q/m der Kanal- zu Kathodenstrahlen etwa 104,
und unabhängig vom Füllgas
- Wiechert fand, dass die Strahlung aus Teilchen (Elektronen) besteht.
Kathodenstrahlung
Zeeman-Effekt
-1896: Zeeman fand eine Aufspaltung der emittierten Spektrallinien von Atomen,
wenn diese einem Magnetfeld ausgesetzt werden
- Dies war für Lorentz direkt der Beweis seiner 1892 aufgestellten Theorie: normaler
Zeeman-Effekt
- Problem: Die gemessenen Aufspaltungen sind 1000-fach größer als von Lorentz
abgeschätzt.
-> Nicht das Atom ist Quelle der Linien, sondern das Elektron als Bestandteil des
Atoms!
Kanalstrahlung I
- Kanalstrahlen sind positiv geladen
- Wien (später Thompson) brachten die Strahlen senkrecht in ein elektrisches und
magnetisches Feld, beide in y-Richtung:
- Ablenkung in y:
- Ablenkung in z:
->
, Parabeln auf einem Schirm
Kanalstrahlung II
-Wien konnte, trotz ungenügendem Versuchsaufbau, bestätigen, dass die Strahlen aus
positiven Teilchen bestehen
- Er bestimmte die spezifische Ladung als etwa 1/1000 der von Elektronen, also in
Übereinstimmung mit der von Ionen aus elektrochemischen Versuchen
- 1906 erzeugte Thompson diskrete Parabeln und bewies so, dass Atome diskrete
Massen besitzen. Messungen von q/m wiesen außerdem darauf hin, dass die
Kanalstrahlen Ionen des Gases zwischen den Platten sind
Kanalstrahlung III
- Für manche Elemente wurden früh mehrere gleichzeitige Parabeln
gefunden, mit winzigen Bahnabständen
-> Es müssen Atome desselben chemischen Elements mit leicht
verschiedenen Massen existieren: Isotope
Das Zerfallsgesetz
-In Montreal untersuchten Rutherford
und Owens die Strahlung von Thorium.
Obwohl er die Alpha-Teilchen mit
dünnem Papier abschirmte, ließ es eine
gasförmige, radioaktive Substanz durch:
die Emanation
- Während sie das Gas sammelten und
untersuchten, stellten sie fest, dass sich
die Aktivität pro Minute halbiert
-Das Resultat weiterer zwei
Forschungsjahre war das Paper "Cause
and Nature of Radioactivity“ ->
Nobelpreis für Chemie 1908
- Rutherford schloss aus seinen
Messungen:
Radioaktive Elemente zerfallen,
unter Abgabe von α- und βStrahlung, in andere Elemente!
Zusammenfassung
Bis 1908:
- Atome sind nicht strukturlos, sondern aus elementareren Teilchen aufgebaut
-Elektronen sind Bestandteile aller Atome und erklären den (normalen) Zeeman-Effekt sowie
elektrochemische Beobachtungen
- Einzelne Atome haben Massen in der Größenordnung von 1000 Massen des Elektrons
-Damit sie insgesamt elektrisch neutral sind, müssen sie positive Ladungen enthalten
- Es existieren verschiedene Isotope von Atomen desselben Elements mit ähnlichen Massen
- Manche Elemente sind radioaktiv und zerfallen exponentiell in andere Elemente unter
Abgabe von α- und β-Strahlung
Der Aufbau der Atome
Wie viele Elektronen pro Atom?
-Larmor und Lorentz hielten es für sinnvoll, dass die positive Ladung in
Atomen durch ein Teilchen identisch zu dem Elektron, bis auf das Vorzeichen
der Ladung, realisiert werden
-> Allein Wasserstoff müsste 1000 Teilchen jeder Sorte beinhalten
-Thompson führte in einem Paper einige Argumente auf, die besagen, dass
die Zahl an Elektronen in Atomen klein, ~ A ist
-> Die positiven Ladungen müssen fast die gesamte Masse des Atoms
beinhalten
?
oder
?
oder
?
oder
?
….oder
??
Natur der positiven Ladung I
Lodge, 1906:
Natur der positiven Ladung II
„… (5) A fifth view of the atom would regard it as a central ‚sun‘
of extremly concentrated positive electricity at the centre, with
a multitude of electrons revolving in astronomical orbits, like
asteroids, within ist range of attraction. But this would give a
law of inverse square for the force, and consequently periodic
times dependent on distance, which appears not to correspond
with anything satisfactorily observed.“
Offensichtlich war die Unsicherheit groß, da keinerlei Messdaten vorlagen.
Das Rutherford‘sche Atommodell war aber schon eine theoretische Möglichkeit
Das Thompsonsche Modell I
- „plum-pudding“ oder „Rosinenkuchen“
-Bis 1911: Verbreitetes Modell zur Beschreibung der
inneren Struktur des Atoms, 1904 von Thompson
postuliert
- Punktförmige Elektronen sind in einer positiv
geladenen Masse, die den Radius des Atoms definiert,
eingebettet
- Es wird eine Kraft benötigt, die das Fluid
zusammenhält (vergleiche starke WW!);
- wurde durch Kohäsion wie in Flüssigkeiten erklärt
- Thompson entwickelte Unmengen an Theorie zur
Verteilung der Elektronen in Abhängigkeit ihrer Anzahl
- Störungen in den (statischen) Anordnungen der
Elektronen erzeugen Oszillationen; mögliche
Erklärungen der Spektrallinien.
-> Jedoch: Vorhersagen stimmen in keinster
Weise mit den Beobachtungen überein
Das Thompsonsche Modell II
Die Streuexperimente
Gold als Target
-Ab 1908: Rutherford und Geiger bombardieren verschiedene Targets mit αTeilchen, um ihre Eigenschaften weiter zu verstehen
- Bei dünnen Goldfolien als Targets treten vereinzelte Streuungen mit
großen Ablenkwinkel, sogar >90°
Video!
Ablenkung á la Thompson
-Wie können homogen gefüllte Atome die α-Teilchen teilweise sogar zurückstreuen?
- Modell sagt gaußförmige statistische Verteilung der Ablenkung bei Mehrfachstreuung
voraus. Selbst durch (höchst unwahrscheinliche) Streuung in immer die gleiche Richtung
wird eine maximale Ablenkung in der Größenordnung von mehreren 10° (bei 10.000
Atomschichten) erreicht.
-> Thompsonsches Atommodell kann Beobachtungen nicht erklären
Ablenkung á la Rutherford
- Rutherford et al. schlossen aus den seltenen
Rückstreuungen, dass nur sehr große Feldstärken
im Atom dafür sorgen können. Diese können nur
durch eine äußerst kompakte Anordnung der
positiven Ladungen im Atom entstehen, die
zudem fast die gesamte Masse des Atoms
beinhaltet. Rutherford nannte diesen Bereich
Atomkern
Experiment!
Die Streuformel I
Annahmen:
- α-Teilchen und Atomkern punktförmig
- mKern >> mα , d.h. der Kern
- Ziel: Ausdruck für Streuintensität dN/N
in Abhängigkeit vom Streuwinkel θ
Die Streuformel II
Wirkende Kraft:
Aufteilung der
Kräfte im Punkt B:
Drehimpulserhaltung:
Bewegungsgleichung
senkrecht zur ursprünglichen
Flugrichtung:
Integration + Drehimpulserhaltung:
Die Streuformel III
Integration + Drehimpulserhaltung:
Substitution:
=>
trigon. Zusammenhänge:
Ableiten:
Die Streuformel IV
Aktive Fläche:
Aktive Fläche der gesamten Folie
(Dicke D, Fläche A und Dichte n):
Wahrscheinlichkeit, dass ein α-Teilchen die
aktive Fläche der gesamten Folie trifft:
Zahl der Teilchen, die in das
intervall [θ-dθ, θ] gestreut werden:
Zahl der Teilchen in das Segment dΩ:
Die Streuformel V
Fläche dS des Kreisrings:
-> ALLES einsetzen:
Theorie - Experiment
-> Offensichtliche
Bestätigung durch
experimentelle Daten!
-> bei Winkeln > 140°
erkennt man bereits die
Abweichungen
Eine Revolution I
- 1911 veröffentlichte Rutherford den Artikel "The
Scattering of Alpha- and Beta-Particels by
Matter and the Structure of the Atom“
- Das Bemerkenswerte: Er sprach in diesem
Artikel bereits über eine hypotetische starke WW
im Kern:
"Dieser Raum wurde als der Raum definiert, in
dem die anziehend wirkende starke
Wechselwirkung der Protonen das Coulombsche
Abstoßungspotential überwiegt (...) Das
Bemerkenswerte ist also nicht die
Massen'konzentration', sondern die
merkwürdige neue starke Kraft, die in diesem
Kernraum wirksam ist."
Eine Revolution II
- Durch Messungen an vielen verschiedenen
Elementen als Targets konnte Rutherford deren
Kernladungen bestimmen. Sie unterschieden sich
um ganzzahlige Werte.
- Er nannte die gequantelten positiven Ladungen
Protonen
- Die Unzulänglichkeiten des Rutherfordschen
Atommodells sollten erst 20 Jahre später durch
Niels Bohr gelöst werden
Quellen
Bücher
- Demtröder: Experimentalphysik 3. Atome, Moleküle und Festkörper, 3. Auflage
- F.L.Friedman, L.Sartori: The Classical Atom.
- G.Gamow: The Atom and ist Nucleus.
- H.Haken, H.C.Wolf: Atom- und Quantenphysik, 8.Auflage.
- H.Friedrich: Theoretical Atomic Physics, 2. Auflage
Websites
- http://www.biography.com/people/ernest-rutherford-39099#death-and-legacy
- http://www.seilnacht.com/chemiker/cherut.html
- https://the-history-of-the-atom.wikispaces.com/Ernst+Rutherford
- http://www.numericana.com/arms/rutherford.htm
- http://en.wikipedia.org/wiki/Ernest_Rutherford#Nuclear_physics