Anleitung für Lernende - Didaktik der Chemie

Der RUTHERFORDsche Streuversuch
Stand 15.07.2015
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Legende
•
Auf der Rückseite gibt es einen Tipp (Hilfe).
•
„Gut gemacht“ oder „Lösung“.
•
Arbeitsauftrag und Hinweis zum Notieren.
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4
Mit dieser Kiste solltest du folgendes tun:
1. Lies die Bildergeschichte.
2. Ergänze immer, wenn dieses Männchen erscheint, die beiden ersten
Spalten der Tabelle auf dem Arbeitsblatt AB1 „Ein neues Atommodell
entsteht“.
?
3. Überlege und notiere unter „Grenzen“, welche dir bekannten
Phänomene mit dem jeweiligen Atommodell nicht erklärt werden
können.
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Aufgabe 1: Bildergeschichte, Teil 1 von 5
Irgendwann
zu Beginn
des 20. Jh.
Diese verdammten
Atome! Irgendwie
komme ich mit den
Erklärungen nicht
weiter. Diese ganzen
Modelle passen nicht!
Ernest Rutherford sitzt mal
wieder in seinem Labor an
der University of Manchester
und grübelt über einem
Problem, das ihn einfach
nicht los lässt.
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Am besten gehe
ich systematisch
vor!
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Bildergeschichte Teil 2 von 5
Alle diese
Fakten weiß
ich von:
Demokrit:
400 v. Chr.
folgerte er durch
Nachdenken, dass es
Teilchen geben muss.
Dalton: er zeigte 1803
über Experimente, dass
es Teilchen geben muss.
Lavoisier: er
konnte ab 1765
Elemente von
Verbindungen
unterscheiden.
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Hilfe
Die Lösungskarte liegt aus.
Kontrolliere dein Ergebnis.
• Lies die Bildergeschichte weiter.
• Notiere die wichtigsten Aussagen und Grenzen des Modells von
Dalton in der Tabelle auf deinem Arbeitsblatt AB1.
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Bildergeschichte Teil 3 von 5
Ende des
19. Jh.
folgen noch
weitere
wichtige
Erkenntnisse:
Radioaktiver
Zerfall
Die α-Strahlung
besteht aus 2fach positiv
geladenen
Teilchen.
Mir, Joseph John Thomson,
gelang es, das Elektron
experimentell nachzuweisen.
Elektronen sind kleine, fast
masselose, einfach negativ
geladene Teilchen, die am
Aufbau des Atoms beteiligt
sind. Die Elektronen können
aus dem Atom entfernt
werden. Daher erlaube ich
mir im Jahr 1903 mein
Atommodell, das
Plumpudding-Modell, oder
„Rosinenkuchenmodell“, wie
ihr Deutschen sagt,
vorzustellen.
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Das ist mein Bild von einem Atom:
da es nach außen elektrisch neutral
ist, muss es aus einer positiv
geladenen Grundmasse bestehen, in die
die negativ geladenen Elektronen
eingebettet sind. Außer für Elektronen
ist diese Masse undurchdringlich.
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Bildergeschichte Teil 4 von 5
Auf der Rückseite findest du die wichtigsten Aussagen von Thomson.
Notiere die wichtigsten Aussagen in der Tabelle auf deinem Arbeitsblatt
AB1.
Arbeite die Grenzen heraus und notiere diese ebenfalls.
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Aussagen des Plumpudding-Modells
•
Atome sind nicht unteilbar, da negativ geladene Partikel
(Elektronen e-) von ihnen weggerissen werden können.
•
Elektronen haben immer die gleiche Ladung und Masse, unabhängig
von der Atom-Art.
•
In eine positiv geladene Grundmasse sind die Elektronen eingebettet.
•
Die Grundmasse ist nur für Elektronen durchlässig.
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Hilfe
Die Lösungskarte liegt aus.
Kontrolliere dein Ergebnis.
• Lies die Bildergeschichte weiter.
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Bildergeschichte Teil 5 von 5
Mit diesem Wissen kann
ich mir jetzt ein
Experiment überlegen,
das mir hilft, ein
Atommodell zu erstellen.
Mein erster Schritt ist es, die
Richtigkeit des jetzt „gültigen“
Plumpudding-Modells mit
einem Experiment
nachzuweisen.
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Das ist nun
das Experiment, mit dem
Rutherford das
PlumpuddingModell
überprüfen
wollte:
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Aufgabe 2: So sieht…
… ein Nachbau der Versuchsapparatur, eigentlich von
Hans Geiger und Ernest Marsden gebaut, aus.
https://en.wikipedia.org/wiki/Geiger%E2%80%93Marsden_experiment
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Aufgabe 2, Einführung
Der Rutherfordsche Streuversuch
Vergleiche diese Beschreibung mit der Abbildung auf der
folgenden Seite:
• In einem Bleiblock (1) befindet sich eine Quelle für αTeilchen (2).
• Die Teilchen treffen auf eine sehr, sehr dünne Goldfolie (3).
• Rundherum stellt man einen Detektorstreifen (5) auf, um zu
sehen, wohin die α-Teilchen abgelenkt werden.
• Die Apparatur wird in einer luftleeren Kammer (6)
aufgestellt.
• Der Detektorschirm ist eine mit Zinksulfid beschichtete
Platte, die beim Auftreffen eines Teilchens einen Lichtblitz
aussendet. Diese Lichtblitze kann man mit Hilfe eines
Mikroskops (4) beobachten und zählen.
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Aufgabe 2
Hier siehst du die Versuchskammer, links als 3D-Skizze und rechts als
Längsschnitt-Zeichnung.
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6
4
1
5
1
2
3
5
2
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Benenne die Einzelteile der Apparatur mit Hilfe des Textes und
übertrage die Beschriftung auf dein Arbeitsblatt.
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Lösung
1
Bleiblock mit schlitzartiger Öffnung
2
α-Strahler, sendet 2-fach positiv geladene Teilchen aus
3
dünne Goldfolie
4
Mikroskop
5
Detektorstreifen
6
Luftleerer Versuchsraum
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Ableitung zur Vakuumpumpe
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Aufgabe 3
Mit dem Streuversuch will Rutherford wissen, ob Thomsons
Modell Atome richtig beschreibt.
?
Überlege dir, welches Versuchsergebnis Rutherford hätte erhalten
müssen, wenn er positiv geladene Teilchen (α-Strahlen) auf eine
Atomschicht aus lauter Thomson-Atomen geschossen hätte.
Zeichne das Ergebnis deiner Überlegung in den Filmstreifen links auf deinem
Arbeitsblatt AB2 ein.
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Lösung
Kontrolliere dein Ergebnis.
Dieses Ergebnis müsste Rutherford sehen,
wenn Thomsons Modell stimmt.
Filmstreifen
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Aufgabe 4
Stelle aus dem Material in der Kiste den Rutherfordschen Streuversuch nach.
• Ersetze den a-Strahler im Bleiblock durch die Taschenlampe mit dem schwarzen
Trinkhalm und bündele ihr Licht möglichst genau auf eine Stelle der Folie.
• Ersetze die Goldfolie nacheinander: erst durch eine spiegelnde Alufolie, dann eine
milchige Kunststofffolie, schließlich durch schwarzes Tonpapier.
• Das Glasgefäß mit dem Papierstreifen stellt die evakuierte Reaktionskammer dar.
Teste, wie sich der Lichtstrahl verhält, wenn du die drei verschiedenen Folien
einsetzt.
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Aufgabe 5
Vergleiche dein Versuchsergebnis mit dem von Rutherford.
Fasse die wichtigsten Versuchsergebnisse zusammen.
Beurteile danach, inwieweit sie Thomsons Modell bestätigen.
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Lösung
Die wichtigsten Ergebnisse des Versuchs:
• Die meisten a-Teilchen gehen glatt durch die Goldfolie hindurch
- wie bei der milchigen Kunststoff-Folie.
• Einige a-Teilchen werden abgelenkt.
• Wenige a-Teilchen werden zurück geworfen.
• Die Ergebnisse lassen sich nicht mit den Befunden aus dem Modell
mit der zurückwerfenden Alufolie oder dem undurchdringlichen
schwarzen Tonpapier erklären.
Daraus schließen wir, dass Thomsons Modell Atome nicht richtig
beschreibt.
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Aufgabe 6
?
a) Überlege, welche Änderungen an Thomsons Modell vorgenommen
werden müssten, damit es den Befunden entspricht.
b) Zeichne die Ladungsverteilungen auf deinem Arbeitsblatt AB2 an der
entsprechenden Stelle ein.
c) Beschreibe mit den Erkenntnissen aus dem Versuch das Kern-HülleModell nach Rutherford auf dem Arbeitsblatt AB1 in der dafür
vorgesehenen Spalte
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Hilfe 1
a)
Wenn ein a-Teilchen die Atome der Goldfolie durchdringt, dann
kann dort nur leerer Raum sein. Wenn ein a-Teilchen abgelenkt
wird, dann ist dort ein Hindernis.
Überlege dir, welche Masse und Größe das Hindernis haben muss
•
im Verhältnis zum a-Teilchen,
•
im Verhältnis zum Atom.
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Hilfe 2
a)
Je mehr a-Teilchen die Atome der Goldfolie durchdringen, desto
mehr leerer Raum muss da sein, desto kleiner sind die
„Hindernisse“.
Das Hindernis muss
•
im Verhältnis zum a-Teilchen ziemlich groß (sonst könnte
keines zurückgeworfen werden),
•
im Verhältnis zum Atom aber sehr klein sein (sonst dürften
nicht so viele durch kommen).
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Lösung
b) Skizze eines Atoms nach dem Kern-Hülle-Modell:
Atomkern
Atomhülle
c) Der größte Teil des Atoms besteht aus leerem Raum. Das ist die
Atomhülle mit den fast masselosen Elektronen.
Im Zentrum des Atoms liegt ein massereicher Bestandteil. Man nennt
ihn Atomkern.
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HURRA!!!!
Der Prototyp des Atommodells steht!
ABER…
…lass uns noch weiter denken
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Aufgabe 7
Du weißt schon:
1. Positiv geladene a-Teilchen werden vom Kern zurück geworfen.
2. Elektronen haben eine negative Ladung.
3. Elektronen haben eine sehr, sehr geringe Masse.
4. Da Stoffe aber eine Masse haben und aus Atomen bestehen,
müssen auch die Atome eine Masse haben.
?
5. Atome haben insgesamt keine Ladung.
Diese Fakten scheinen noch widersprüchlich zu sein.
Versuche durch Überlegen, die Fakten so zusammen zu bringen, dass es
keine Widersprüche mehr gibt. Eine Bleistiftskizze auf dem Arbeitsblatt
könnte helfen.
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Hilfe
Beachte besonders Faktenpärchen
2 und 5 sowie
3 und 4.
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Lösung
Der Atomkern muss folgende Eigenschaften haben:
• positive Ladung, da er
1. die ebenfalls positiven α-Teilchen abstößt, und
2. die negative Ladung der Elektronen aufheben muss;
• Masse, da sie nicht von den Elektronen kommen kann.
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Zusammenfassung
Das Modell nach Rutherford trifft folgende Aussagen über
Atome:
1. Ein Atom besteht aus einem Kern und einer Hülle. Darum heißt
es auch Kern-Hülle-Modell.
2. Der Atomkern ist positiv geladen (später entdeckte man, dass er
aus Protonen p+ besteht) und für die Masse des Atoms
verantwortlich (ein einziges Proton hat die Masse mp+ = 1 u).
3. Die Atomhülle ist im wesentlichen leerer Raum. Hier bewegen
sich die Elektronen e-. Jedes hat eine sehr geringe Masse
(me- = 0,0005 u).
4. Atome sind nach außen neutral (nicht geladen), da sich positive
und negative Ladungen insgesamt aufheben, da es stets gleich
viele sind.
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Zusatzfragen für die, die gerne denken.
?
1. Begründe, wieso sich Elektronen aus dem Atom abspalten lassen.
2. Nenne die Ursache dafür, dass Rutherford in einer evakuierten
Kammer arbeiten musste.
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Lösung
1. Der Atomkern zieht die sich schnell bewegenden Elektronen durch
seine positive Ladung an. Da die Elektronen aber doch weit vom Kern
entfernt sein müssen, ist es möglich, die Anziehungskraft zu
überwinden.
2. Die Kammer ist zunächst mit Luft gefüllt. Luft ist ein Stoffgemisch aus
verschiedenen Gasen, die selber auch aus Atomen bzw. Molekülen
bestehen. Entfernt man die Luft nicht, können die a-Teilchen mit den
Luftteilchen zusammenstoßen und gar nicht bis zur Goldfolie
vordringen.
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Entsorgung
Keine erforderlich.
Bitte die Modellteile in die dafür vorgesehenen Stellen in der Kiste
einräumen.
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Diese Anleitung wurde entworfen von
Ulrike Borken, Stefanie Schwind und Birgit Turowski
im Rahmen des
AK Selbst Organisiertes Lernen (SOL)
in der
Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth
Februar 2014
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