Transcript
Der RUTHERFORDsche Streuversuch
Stand 15.07.2015
2
Legende •
Auf der Rückseite gibt es einen Tipp (Hilfe).
•
„Gut gemacht“ oder „Lösung“.
•
Arbeitsauftrag und Hinweis zum Notieren.
3
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.
5
6
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.
7
Am besten gehe ich systematisch vor!
8
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.
9
10
11
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.
12
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.
13
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.
14
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.
15
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.
16
17
Hilfe
Die Lösungskarte liegt aus. Kontrolliere dein Ergebnis. • Lies die Bildergeschichte weiter.
18
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.
19
Das ist nun das Experiment, mit dem Rutherford das PlumpuddingModell überprüfen wollte:
20
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
21
22
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. 23
24
Aufgabe 2 Hier siehst du die Versuchskammer, links als 3D-Skizze und rechts als Längsschnitt-Zeichnung.
3
6 4
1
5
1 2
3 5
2 7
Benenne die Einzelteile der Apparatur mit Hilfe des Textes und übertrage die Beschriftung auf dein Arbeitsblatt. 25
26
27
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
7
Ableitung zur Vakuumpumpe
28
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. 29
30
31
Lösung Kontrolliere dein Ergebnis.
Dieses Ergebnis müsste Rutherford sehen, wenn Thomsons Modell stimmt.
Filmstreifen
32
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.
33
34
Aufgabe 5
Vergleiche dein Versuchsergebnis mit dem von Rutherford.
Fasse die wichtigsten Versuchsergebnisse zusammen. Beurteile danach, inwieweit sie Thomsons Modell bestätigen. 35
36
37
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.
38
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
39
40
41
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.
42
43
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).
44
45
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.
46
HURRA!!!!
Der Prototyp des Atommodells steht!
ABER…
…lass uns noch weiter denken
47
48
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. 49
50
51
Hilfe
Beachte besonders Faktenpärchen 2 und 5 sowie 3 und 4.
52
53
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.
54
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. 55
56
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.
57
58
59
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.
60
Entsorgung Keine erforderlich.
Bitte die Modellteile in die dafür vorgesehenen Stellen in der Kiste einräumen.
61
62
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 63
