Das Thomson-Modell
Historische Einordnung
Ende des 19. Jahrhunderts untersuchte man Gasentladungen: Legt man an eine fast luftleere Glasröhre eine hohe , geht von der Kathode (dem Minuspol) eine unsichtbare Strahlung aus, die den Glasschirm zum Leuchten bringt, die Kathodenstrahlen. Worum es sich dabei handelte, war umstritten: eine Art Lichtwelle oder ein Strom von Teilchen?
Thomson entschied die Frage 1897 experimentell. Er lenkte die Strahlen mit elektrischen und magnetischen Feldern ab und maß aus der Ablenkung das Verhältnis von zu der Strahlteilchen. Zwei Befunde waren entscheidend: Die Teilchen sind negativ geladen, und ihr Ladungs-Masse-Verhältnis ist über tausendmal größer als das des leichtesten bekannten Ions (Wasserstoff). Die Teilchen sind also winzig leicht, und sie sind immer gleich, egal aus welchem Kathodenmaterial und welchem Restgas sie stammen. Ein und derselbe Baustein steckt offenbar in jeder Art von Materie: das Elektron.
Joseph John Thomson (1856 bis 1940)
Britischer Physiker am Cavendish-Labor in Cambridge. Wies 1897 das Elektron nach und schlug 1904 sein Atommodell vor. Nobelpreis für Physik 1906.
Das Problem, das zu dieser Station führte
Damit stand Daltons Grundannahme in Frage. Wenn sich aus Atomen aller Elemente dieselben leichten, negativen Teilchen herauslösen lassen, dann ist das Atom kein unteilbarer Klotz, sondern hat Bestandteile.
Daraus ergibt sich sofort ein Rätsel: Atome sind nach außen elektrisch neutral. Wenn sie negative Elektronen enthalten, muss es im Atom auch eine positive geben, die die negative genau ausgleicht. Nur: Wo sitzt sie, und wie ist sie verteilt? Genau diese Frage beantwortet Thomsons Modell mit der damals einfachsten denkbaren Annahme.
Grundannahmen
Was nimmt diese Vorstellung über den Aufbau des Atoms an?
Das Atom enthält leichte, negativ geladene Elektronen.
Die positive ist zusammen mit fast der gesamten gleichmäßig über das ganze Atom verteilt, wie ein Teig.
Die Elektronen sind in diese positive Grundmasse eingebettet und können darin schwingen.
Positive und negative gleichen sich aus, deshalb ist das Atom nach außen neutral.
So kannst du es dir vorstellen
Das bekannte Bild dazu ist der Rosinenkuchen (englisch „plum pudding“): Der Teig ist die positiv geladene Grundmasse, die das ganze Atom ausfüllt. Die Rosinen sind die Elektronen, die darin stecken.
Nimm das Bild als das, was es ist: eine Vorstellungshilfe. Der „Teig“ ist kein Stoff, sondern eine gleichmäßig verteilte positive . Wichtig ist die Kernaussage der Verteilung: Nirgendwo im Atom ist die positive Ladung zusammengeballt, sie ist überall gleich dünn verteilt. Genau diese Aussage wird das Rutherford-Experiment später prüfen und kippen.
Wie funktioniert das Modell?
1Neutralität durch Ausgleich
Die Summe der Elektronenladungen ist genauso groß wie die positive des Teigs, nur mit umgekehrtem Vorzeichen. Nach außen wirkt das Atom deshalb ungeladen.
2Ionen durch Elektronenverlust
Reißt man einem Atom ein Elektron heraus (etwa in einer Gasentladung), überwiegt die positive : Ein positives Ion bleibt zurück. Ladung entsteht also nicht aus dem Nichts, sondern durch Umverteilen von Elektronen.
3Elektronen können schwingen
Lenkt man ein eingebettetes Elektron aus seiner Ruhelage aus, zieht die umgebende positive es zurück, es . Schwingende Ladungen senden Licht aus; so hoffte man, auch die Lichtaussendung von Atomen zu verstehen.
Was erklärt das Modell?
Aus jedem Material lassen sich dieselben negativen Teilchen herauslösen.
Elektronen sind Bestandteil jedes Atoms. Kathodenstrahlen sind nichts anderes als herausgeschlagene Elektronen.
Atome sind normalerweise neutral, können aber zu Ionen werden.
Im Grundzustand gleichen sich positive Grundmasse und Elektronen aus. Fehlt ein Elektron oder ist eines zu viel, bleibt eine Nettoladung übrig.
Atome können Licht aussenden.
Schwingende Elektronen in der positiven senden elektromagnetische aus. Das erklärt die Lichtaussendung dem Grunde nach, allerdings nicht die genauen Farben, siehe Grenzen.
Grenzen des Modells
Die Verteilung der positiven Ladung war ungeprüft.
„Gleichmäßig verteilt“ war die einfachste Annahme, kein Messergebnis. Es gab bis 1909 schlicht kein , das in das Innere eines Atoms hineinschauen konnte.
Die Linienspektren der Elemente passten nicht.
Leuchtende Gase senden Licht nur in ganz bestimmten, scharfen Farben aus (), für jedes Element ein eigenes Muster. Aus den eingebetteter Elektronen ließen sich diese Muster trotz vieler Versuche nicht korrekt berechnen.
Der Rutherford-Streuversuch widerlegte die Ladungsverteilung.
Eine dünn verteilte positive kann vorbeifliegende α-Teilchen nur ganz schwach ablenken, auf Bruchteile eines Grads. Gemessen wurden aber vereinzelt Ablenkungen um mehr als 90 Grad. Diese Beobachtung ist mit dem Thomson-Modell nicht vereinbar; wie es dazu kam, siehst du im nächsten Abschnitt.
Warum kam das nächste Modell?
Der Sturz des Thomson-Modells kam durch ein , das eigentlich nur nachmessen sollte. Hans Geiger und Ernest Marsden beschossen ab 1909 unter Rutherfords Leitung eine hauchdünne Goldfolie mit α-Teilchen, das sind schnelle, positiv geladene Heliumkerne. Nach Thomson war die Erwartung klar: Die positive des Goldes ist dünn über die Atome verschmiert, also spürt ein durchfliegendes α-Teilchen überall nur schwache und fliegt fast geradeaus weiter.
Die Messung ergab etwas anderes. Die meisten Teilchen flogen zwar tatsächlich beinahe ungestört durch, aber etwa eines von 8000 wurde um mehr als 90 Grad abgelenkt, manche fast zurück zur Quelle. Rutherford beschrieb später, das sei so unglaublich gewesen, als feuere man eine Granate auf Seidenpapier und werde von ihr getroffen.
Der Vergleich unten zeigt den Widerspruch direkt: Im Thomson-Atom gibt es keinen Ort, an dem die Kraft groß genug für eine Rückstreuung wäre. Ein zurückgeworfenes α-Teilchen muss auf etwas sehr Kleines, sehr Massereiches mit stark gebündelter positiver Ladung getroffen sein. Die positive Ladung ist also nicht verschmiert, sondern in einem winzigen Kern konzentriert. Genau das ist Rutherfords Modell.
Das musst du wissen
Thomson zeigt mit dem Elektron, dass Atome teilbar sind. Sein Modell verteilt die positive gleichmäßig über das Atom; genau diese Annahme scheitert am Rutherford-Streuversuch.
Kleine Verständnisfrage
Warum musste Thomson überhaupt eine positive im Atom annehmen? Er hatte doch nur negative Elektronen nachgewiesen.
Antwort anzeigenAntwort ausblenden
Weil Atome nach außen neutral sind. Enthält ein neutrales Atom negative Elektronen, muss es zusätzlich genau so viel positive enthalten, sonst würde jedes Stück Materie elektrisch geladen sein und andere Materie anziehen oder abstoßen. Die Existenz der positiven Ladung folgt also aus der Neutralität; nur ihre Verteilung war Thomsons freie Annahme.
Quellen
Die historischen Aussagen dieser Station stützen sich auf die folgenden Quellen. Die Darstellung ist eigenständig didaktisch aufbereitet und keine Übernahme der Texte.
- Cathode Rays, Joseph John Thomson (1897), Philosophical Magazine, Serie 5, Band 44 (Primärquelle)
- On the Structure of the Atom (das ausgearbeitete Modell), Joseph John Thomson (1904), Philosophical Magazine, Serie 6, Band 7 (Primärquelle)
- On a Diffuse Reflection of the α-Particles (die überraschende Rückstreuung), Hans Geiger, Ernest Marsden (1909), Proceedings of the Royal Society A, Band 82