Rutherford/Geiger-Marsden-Goldfolien-Experiment: Was dachten sie wirklich über Alpha-Teilchen?

Die meisten Berichte über das Experiment, bei dem Alphateilchen auf eine dünne Goldfolie geschossen wurden, weisen auf Folgendes hin:

  • Das getestete Atommodell war das Plum-Pudding-Modell: negativ geladene Teilchen (Elektronen), die in ein diffuses Volumen mit entgegenwirkender positiver Ladung eingebettet sind
  • Da die positive Ladung in der Goldfolie diffus ist, sollte das massive, positiv geladene Alpha-Teilchen mit minimaler Ablenkung direkt durch sie hindurch reißen
  • Während fast alle Alpha-Teilchen hindurchgingen, wurde eine kleine Minderheit stark abgelenkt, einige sogar zurückgestoßen
  • Dieses Ergebnis wurde besser dadurch erklärt, dass positive Ladung in kleinen Volumina konzentriert war, die durch leeren Raum getrennt waren

Aber wenn man genauer darüber nachdenkt, scheint dies eine zu starke Vereinfachung zu sein. Zum einen gibt es die Implikation, dass das Alpha-Teilchen selbst dicht ist, und einige Erzählungen zitieren sogar Rutherfords Analogie einer Artilleriegranate, die auf Seidenpapier abgefeuert wird und gelegentlich zurückprallt. Wenn jedoch das Plum-Pudding-Modell auf das positiv geladene Alpha-Teilchen angewendet würde, würde sich die positive Ladung in einem diffusen Volumen verteilen. Mit der Analogie würde es Seidenpapier auf Seidenpapier schießen. Warum haben sie in diesem Fall NICHT erwartet, dass Partikel abgelenkt werden?

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Die Plum-Pudding-Analogie ist nur eine Analogie, und sie bricht zusammen, wenn sie einer so genauen Prüfung unterzogen wird. Sie kannten die elektrischen Ladungen und die beteiligten Massen und die von diesen Ladungen erzeugten Kräfte, und sie rechneten. Wenn die positiven Ladungen über das gesamte Volumen des Atoms verteilt wären, würden die Alpha-Teilchen (mit bekannter Ladung, Masse und Geschwindigkeit) unabhängig von ihrem eigenen Volumen nicht sehr stark abgelenkt. Die großen Auslenkungen treten nur auf, weil die positive Ladung eines Atoms auf einen sehr kleinen Teil seines Gesamtvolumens konzentriert ist.

Ich nehme Sie beim Wort, weil ich die Mathematik in Rutherfords Aufsatz nicht verstehe. Ich füge etwas hinzu, das ich auf einer zugänglicheren Webseite zur Wissenschaftsgeschichte gelesen habe und das in Rutherfords Aufsatz von 1911 enthalten ist: Rutherford ließ das Zeichen der Anklage einige Jahre lang eine offene Frage. Auch hier verstehe ich die Mathematik nicht, aber ich nehme an, eine negative Ladung kann eine sich nähernde positive Ladung ablenken, so wie ein Planet einen Kometen ablenkt.

Bevor Rutherford dieses Experiment durchführte, hatten Physiker bereits einige Vorstellungen von Ladung, Masse und Radius von Elektronen (z. B. Thomson und Millikan ) sowie denen von Alpha-Teilchen gewonnen. Das Wissen über Alpha-Teilchen stammte aus dem Studium der natürlichen Strahlung – dem Alpha-Zerfall, der auch die Quelle von Alpha-Teilchen in Rutherfords Experiment war. Wenn Sie also die Ladungen und Massen von Elektronen und Alpha-Teilchen kennen und die Massenverteilung des positiv geladenen Teils der Materie wissen möchten, können Sie einen Strahl von Alpha-Teilchen abschießen, um dies zu erfahren.

Ich hoffe, das beantwortet Ihre Frage.

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