Atommodelle (von Dalton bis Bohr)

Im Physikunterricht zeigt die Lehrerin eine Billardkugel und sagt, so habe sich Dalton um das Jahr $1805$ die Atome vorgestellt, wie in der Abbildung gezeigt.

Erkläre mit eigenen Worten, was ein Atom nach dem Modell von Dalton ist und welche zwei Eigenschaften diese „Kugel“ hatte.

Jans Oma backt einen Pudding mit Rosinen, wie in der Abbildung.

Thomson stellte sich das Atom wie diese Nachspeise vor: Erkläre, was die Puddingmasse in seinem Modell darstellt und was die Rosinen darstellen.

In einem Wissenschaftsmuseum betrachtet Leo eine Kathodenstrahlröhre, wie Thomson sie bei seinen Experimenten verwendete, ähnlich der in der Abbildung.

Welches Teilchen entdeckte Thomson mit diesem Gerät und welche elektrische Ladung hat es?

Die alten Röhrenfernseher funktionierten mit Kathodenstrahlen, mit denen Thomson im Jahr $1897$ das Elektron entdeckte. Das Elektron ist ein Teilchen, das aus dem Inneren des Atoms stammt: Erkläre, warum diese Entdeckung das Modell von Dalton zu ändern zwang.

Um die Modelle zu erklären, verwendet eine Schülergruppe eine Wassermelone mit Kernen als Bild für das thomsonsche Atommodell.

1. a) Erkläre, was jeder Teil der Wassermelone in diesem Modell darstellt.
2. b) Schlage selbst einen Gegenstand oder eine Alltagssituation vor, die das rutherfordsche Atommodell darstellt, und erkläre, was jedes Element ist.
3. c) Kein Vergleich ist perfekt: Nenne eine Schwäche des Bildes der Wassermelone als Atommodell.

Anna sieht in einer Dokumentation Rutherfords Goldfolienversuch: Positiv geladene $\alpha$-Teilchen wurden auf eine hauchdünne Goldfolie geschossen, wie in der Abbildung gezeigt.

Was geschah mit der großen Mehrheit der Teilchen, als sie auf die Folie trafen? Welche Schlussfolgerung zog Rutherford über das Innere des Atoms?

Das Modell von Rutherford nennt man „Planetenmodell“, weil es an das Sonnensystem erinnert, wie in der Abbildung gezeigt.

Nenne eine Gemeinsamkeit und einen Unterschied zwischen den Planeten, die um die Sonne kreisen, und den Elektronen, die um den Kern kreisen (überlege, welche Kraft jeweils das System zusammenhält).

Beim Goldfolienversuch wurden drei Dinge beobachtet: Die meisten $\alpha$-Teilchen durchquerten die Folie ohne Ablenkung, einige wenige wurden abgelenkt und sehr selten prallte eines zurück, wie in der Abbildung gezeigt.

Schreibe die Schlussfolgerung auf, die Rutherford aus jeder der drei Beobachtungen zog.

In einer Klassendiskussion behauptet Nora, der Goldfolienversuch habe das Modell von Thomson widerlegt. Wenn das Atom wirklich eine positiv geladene Kugel mit eingebetteten Elektronen wäre, was hätte dann mit den $\alpha$-Teilchen beim Auftreffen auf die Folie passieren müssen? Welche Beobachtung des Versuchs passt nicht zu dieser Vorhersage? Begründe deine Antwort.

Im Goldfolienversuch durchquerten von jeweils $8000$ ausgesandten $\alpha$-Teilchen etwa $7992$ die Folie, ohne abgelenkt zu werden, etwa $7$ wurden abgelenkt und nur $1$ prallte zurück.

1. a) Berechne, wie viel Prozent der Teilchen die Folie ungehindert durchquerten.
2. b) Welcher Bruchteil der ausgesandten Teilchen prallte zurück?
3. c) Erkläre anhand dieser Zahlen, warum Rutherford behauptete, das Atom sei fast leer und der Atomkern winzig.

Die $\alpha$-Teilchen sind positiv geladen, genau wie der Atomkern, wie die Abbildung zeigt.

1. a) Erkläre mithilfe der Kräfte zwischen elektrischen Ladungen, warum ein $\alpha$-Teilchen, das nahe am Atomkern vorbeifliegt, von seiner Bahn abgelenkt wird.
2. b) Warum sind die Teilchen, die zurückprallen, gerade diejenigen, die dem Atomkern am nächsten kommen?
3. c) Wenn man die Folie mit ungeladenen Teilchen beschießen würde, würdest du dieselben Ablenkungen erwarten? Begründe.

Im Riesenrad auf dem Jahrmarkt kannst du nur in einer Gondel sitzend fahren, nie frei in der Luft zwischen zwei Gondeln. Bohr schlug etwas Ähnliches für die Elektronen vor, wie in der Abbildung gezeigt.

Erkläre, was Bohr über die Bahnen der Elektronen sagte und worin sich sein Modell von dem Rutherfords unterschied.

Um das Modell von Bohr zu erklären, vergleicht ein Lehrer eine Treppe mit einer Rutsche, wie in der Abbildung: Auf der Treppe kannst du nur auf einer Stufe stehen, auf der Rutsche aber in jeder beliebigen Höhe anhalten.

Ordne jedes Bild einem der beiden Modelle zu, dem von Rutherford oder dem von Bohr, und erkläre, was jede Treppenstufe darstellt.

Das rutherfordsche Modell hatte ein Problem: Nach der Physik der damaligen Zeit müsste ein Elektron, das um den Atomkern kreist, immer mehr Energie verlieren und schließlich in den Kern stürzen, wie die Abbildung zeigt. Dann wären Atome nicht stabil.

1. a) Erkläre, was Bohr vorschlug, um diesen Absturz des Elektrons zu verhindern.
2. b) Warum sagen wir, Bohr habe eine „neue Regel“ hinzugefügt, statt die Bahnen von Rutherford nur besser zu zeichnen?

Auf Sammelkarten von „Atomforschern“ stehen diese Jahreszahlen: Thomson, $1897$; Bohr, $1913$; Dalton, $1805$; Rutherford, $1911$. Ordne die vier Atommodelle vom ältesten zum neuesten.

Leons Lieblingsspiel wird immer wieder aktualisiert, um Fehler zu beheben und Verbesserungen hinzuzufügen. Mit Modellen in der Wissenschaft ist es ähnlich: Erkläre, warum Wissenschaftler ein Modell durch ein neues ersetzen.

In der Ausstellung „Die Detektive des Atoms“ sind vier Tafeln durcheinandergeraten. Ordne jede Beschreibung dem passenden Forscher zu: Dalton, Thomson, Rutherford oder Bohr.

1. a) „Das Atom ist eine massive, unteilbare Kugel.“
2. b) „Die Elektronen sind in eine positiv geladene Kugel eingebettet, wie Rosinen in einem Pudding.“
3. c) „Das Atom ist fast vollständig leer und die positive Ladung konzentriert sich in einem sehr kleinen Kern.“
4. d) „Die Elektronen können nur bestimmte erlaubte Bahnen einnehmen.“

Schreibe einen kurzen Lexikoneintrag mit dem Titel „Die Geschichte des Atoms in vier Modellen“. Gib für jeden Wissenschaftler (Dalton, Thomson, Rutherford und Bohr) an, was sein Modell beigetragen hat und welche Beobachtung oder welches Experiment es stützte.