10. – 13. Schuljahr

Gunnar Friege

Modellexperiment zum rutherfordschen Streuversuch

Versuch: Sek. II // Lehrer/Schüler
Zeit: Vorbereitung: 5 min//Durchführung: 15 min
Die Ergebnisse der rutherforschschen Streuversuche, bei denen α-Teilchen an einer dünnen Goldfolie gestreut wurden, führten aufgrund unerwartet großer Streuwinkel zum rutherfordschen Atommodell. Demnach besteht ein Atom aus einem nahezu punktförmigen, positiv geladenen Kern und einer ausgedehnten, fast leeren, negativ geladenen Atomhülle. Im Modellexperiment werden Kugeln an zylinderförmigen Metallstiften gestreut und die Ausdehnung der Atome durch farbige Plastikscheiben angedeutet (s. Abb. 1b ).
Geräte und Materialien
Der Aufbau in Abbildung 1 ist ein Sammlungsfundstück eines unbekannten Herstellers und sicherlich einige Dekaden alt.
Ein Nachbau ist mit vertretbarem Aufwand aus folgenden Materialien möglich:
  • einer Plexiglaswanne,
  • einer verschiebbaren Rampe,
  • einer Barriere aus Metallstiften,
  • ggf. dünnen farbigen Plastikscheiben,
  • einem Aluminiumblech als Abdeckung und
  • kleinen, handelsüblichen Metallkugeln.
Durchführung
Für die Simulation des Experiments wird die Abdeckung über den Metallstiften der Barriere platziert (Blackbox-Situation). Die Rampe wird für die Kugeln gegenüber der Barriere positioniert (s. Abb. 1a ).
Nun lässt man eine Metallkugel vom obersten Punkt der Rampe herunterrollen und beobachtet die Streuung an der (abgedeckten) Barriere. Anschließend verschiebt man systematisch die Rampe parallel zur Barriere und untersucht die Bewegung der Kugel in Abhängigkeit von der Rampenposition.
Beobachtung
Die Kugel durchquert je nach Position der Rampe die Barriere unabgelenkt oder wird so abgelenkt, dass sie sich im Bereich hinter der Barriere oder im Bereich zwischen Barriere und Rampe fortbewegt. Der erste Fall tritt am häufigsten auf, die beiden anderen sind sehr viel seltener.
Erklärung
Die schon eingangs erwähnten Erkenntnisse Rutherfords in Form des rutherfordschen Atommodells lassen sich auch durch das Abnehmen der Abdeckung über der Barriere für die Schülerinnen und Schüler visualisieren (s. Abb. 1b). Das Experiment veranschaulicht mit Stift und Plastikscheibe natürlich nur grob den prinzipiellen Aufbau eines Atoms.
Alternative und Präsentation
Durch die inzwischen leicht zugänglichen und kostengünstigen 3D-Drucker lassen sich im hier beschriebenen Modellversuch die zylindrischen Stifte auch leicht durch andere Körper (Form und Größe) ersetzen und so die Wechselwirkung zwischen Aufbau der Barriere und Kugeln variieren. Eine experimentelle Alternative findet man in [1]. Hier wird im Experiment ein Luftkissentisch verwendet. Die α-Teilchen werden dort durch einen magnetischen Schwebkörper und die Atomrümpfe durch magnetische Barrieren aus kleineren Magneten modelliert.
Eine Projektion beider experimenteller Varianten mit einem Overheadprojektor ist aufgrund der transparenten Aufbauten ebenso möglich wie eine Durchführung unter einer Dokumentenkamera.
Literatur
[1] Wilke, H.-J.: Physikalische Schulexperimente. Band 3. Berlin: Volk und Wissen Verlag, 2002 (1. Aufl.).

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