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Daltons Modell machte chemische Reaktionen zählbar, stellte Atome aber weiterhin als feste Kugeln dar. Damit blieb eine einfache Frage offen: Wenn Atome tatsächlich massiv und ohne innere Bestandteile wären, warum zeigen sie dann elektrische Eigenschaften?
Ende des 19. Jahrhunderts arbeiteten Wissenschaftler mit Glasröhren bei niedrigem Druck und hoher Spannung. Darin erschien ein Strahl, der Kathodenstrahl genannt wurde. Elektrische und magnetische Felder konnten ihn ablenken. Diese Beobachtung ließ Atome nicht mehr wie massive Kugeln erscheinen, sondern wie Strukturen mit kleineren Teilchen im Inneren.
OpenStax verbindet Thomsons Kathodenstrahlversuch, Rutherfords Goldfolienversuch und Chadwicks Neutronennachweis im Abschnitt Evolution of Atomic Theory.
Im Jahr entdeckte J. J. Thomson das Elektron und zeigte, dass dieses Teilchen sehr viel leichter als ein Atom ist. Das hält auch Britannicas Biografie von J. J. Thomson fest.
Wechsle unten den Modus. Merke dir nicht zuerst die Teilchennamen, sondern beobachte die Bewegungsrichtung, welche Bahn abgelenkt wird und welche gerade bleibt.
Thomson verwendete eine Kathodenstrahlröhre. Im Inneren der Röhre wurde der größte Teil der Luft entfernt, dann wurde eine Hochspannung angelegt. Der Strahl, der erschien, wurde immer von der positiven Ladung angezogen und von der negativen Ladung weggedrängt.
Die elektrische Regel ist einfach: Entgegengesetzte Ladungen ziehen sich an und gleiche Ladungen stoßen sich ab. Da der Kathodenstrahl von einer positiven Ladung angezogen wurde, waren seine Teilchen negativ geladen. Wir nennen diese Teilchen jetzt Elektronen.
Thomson fand außerdem heraus, dass Kathodenstrahlteilchen weitaus leichter als Atome waren und die gleichen Eigenschaften hatten, selbst wenn das Elektrodenmetall wechselte. Das ist wichtig, weil das Elektron kein Fragment eines bestimmten Metalls war. Das Elektron ist ein gemeinsamer Bestandteil von Atomen.
Thomsons Modell lässt sich mit einem Rosinenkuchen vergleichen: Der Teig steht für die verteilte positive Ladung, die Rosinen für eingebettete negative Elektronen. Dieses Bild erklärt nur die Idee des Modells, nicht die tatsächliche Form eines Atoms. Rutherford entwickelte es später weiter.
Rutherfords Team in Manchester prüfte Thomsons Modell. Unter Rutherfords Leitung beschossen Hans Geiger und Ernest Marsden sehr dünne Metallfolien, darunter Gold, mit positiv geladenen Alphateilchen. Wäre die positive Ladung wie in Thomsons Modell gleichmäßig verteilt, müssten fast alle Alphateilchen mit nur kleinen Ablenkungen hindurchfliegen. Die Darstellung des American Institute of Physics dokumentiert ihre experimentellen Rollen und Rutherfords spätere Deutung.
Das Ergebnis war überraschend:
OpenStax erklärt daraus Rutherfords zwei Schlussfolgerungen: Atome bestehen größtenteils aus leerem Raum, und ihre positive Ladung sitzt in einem winzigen, vergleichsweise schweren Zentrum. Dieses Zentrum heißt Atomkern.
Für das Größenverhältnis hilft ein Stadionbild: Wäre das Atom so groß wie das Stadion, entspräche der Kern nur einer kleinen Beere in seiner Mitte. Der Atomdurchmesser beträgt ungefähr , der Kerndurchmesser ungefähr . Der Kern ist damit im Durchmesser etwa -mal kleiner. Diese Größenordnung erläutert OpenStax im Abschnitt Atomic Structure and Symbolism.
Die Goldfolienbeobachtung zeigte, wo die positive Ladung des Atoms sitzt. Sie identifizierte jedoch noch nicht die Teilchen im Kern. Im Jahr beschoss Rutherford Stickstoff mit Alphateilchen und wies dabei schnelle Wasserstoffkerne nach. Ein Wasserstoffkern trägt eine positive Elementarladung und wird heute Proton genannt.
Die Teilchengeschichte der Nobelpreisorganisation trennt diese Schritte: Rutherford deutete das Kernatom und wies freie Protonen nach. Die Entdeckung des Kerns und die Identifikation des Protons hängen zusammen, sind aber nicht dasselbe Ereignis.
Nachdem Protonen die positive Ladung des Kerns erklärt hatten, blieb eine Lücke: Atommassen waren oft größer als die Masse der Protonen allein. Was fügte dem Kern Masse hinzu, ohne Ladung hinzuzufügen?
In zeigte James Chadwick Hinweise auf ein neutrales Teilchen mit fast der gleichen Masse wie ein Proton. Dieses Teilchen wird Neutron genannt. Neutral bedeutet, dass seine Ladung beträgt, sodass Neutronen einem Kern Masse hinzufügen können, ohne die elektrische Ladung des Atoms zu ändern.
Die Nobelpreis-Fakten zu James Chadwick beschreiben seinen Nachweis: Mit Alphateilchen beschossenes Beryllium erzeugte eine Strahlung aus neutralen Teilchen, deren Masse ungefähr der Protonenmasse entsprach.
Neutronen helfen auch bei der Erklärung von Isotopen. Isotope sind Atome desselben Elements mit unterschiedlicher Neutronenzahl. Das Element bleibt gleich, weil die Protonenzahl gleich bleibt, während die Masse unterschiedlich sein kann, weil die Neutronenzahl unterschiedlich ist.
Die Tabelle verbindet für jedes Teilchen Ladung, Aufenthaltsbereich und Beitrag zur Atommasse.
| Teilchen | Hauptbereich | Relative Ladung | Relative Masse | Bedeutung im Atom |
|---|---|---|---|---|
| Elektron | Raum um den Kern | Ungefähr der Masse eines Protons | Ein negativer Ladungsmarker im Atomraum | |
| Proton | Kern | Über | Das Teilchen, das die Elementidentität bestimmt | |
| Neutron | Kern | Etwa | Trägt Masse bei, ohne Ladung hinzuzufügen |
Ein neutrales Atom hat die gleiche Anzahl an Protonen und Elektronen. Wenn ein Atom beispielsweise Protonen hat und noch neutral ist, hat es auch Elektronen.
Drei Beziehungen bilden den roten Faden: Protonen bestimmen die Elementidentität, Neutronen tragen zur Masse bei und Elektronen prägen viele chemische Eigenschaften. Damit lassen sich Ladung, Masse und Atomidentität gemeinsam lesen.
