Atomphysik

Klassische Atommodelle

Kathodenstrahlversuche von LENARD

  • Welche Vorstellungen hatten die alten Griechen von Atomen?
  • Was versteht man unter dem „Plumpudding-Modell“?
  • Welche Vorhersagen macht das BOHRsche Atommodell?
  • Mit welchen Atommodellen arbeitet die moderne Physik?

Kathodenstrahlversuche von LENARD

Philipp LENARD (1862-1947)
Bundesarchiv, Bild 146-1978-069-26A / CC-BY-SA [CC-BY-SA-3.0-de], via Wikimedia Commons

Der deutsche Physiker Philipp LENARD (1862 - 1947) experimentierte bei Heinrich HERTZ in Bonn (1892) sehr intensiv mit Kathodenstrahlröhren. Diese evakuierten Glasröhren enthielten zwei Elektroden, die Kathode K und die Anode A. Legte man den Minuspol einer Hochspannungsquelle an K und den Pluspol an A, so trat aus K eine Strahlung aus (Kathodenstrahlen; später als "Elektronen" bezeichnet), die zu A hin beschleunigt wurde. Die Elektronen konnten die Glasröhre nicht durchdringen, ihre Reichweite war auf die Glasröhre beschränkt.

Untersuchung der Schwächung von Elektronenstrahlung durch verschiedene Metallfolien

LENARD baute nun in eine herkömmliche Kathodenstrahlröhre ein Fenster ein, welches er mit einer sehr dünnen (3μm - 5μm) Aluminiumfolie luftdicht abschloss. Damit die Folie durch den hohen Druckunterschied zwischen Außen- und Innenseite nicht zerstört wurde, stabilisierte sie Lenard durch ein Gitter. Die an die Kathodenstrahlröhre angelegte Hochspannung (HQ) wurde durch einen sogenannten Funkeninduktor erzeugt. Weitere Informationen zum Funkeninduktor kannst du hier einblenden.

Es zeigte sich, dass die Elektronen durch das Lenardfenster aus der Röhre treten konnten, also die mehrere Tausend Atomschichten dicke Metallfolie durchdringen konnten. In der Luft ergaben sich dann Fluoreszenzerscheinungen.

Untersuchung der Schwächung von Elektronenstrahlung durch verschiedene Gasschichten

LENARD untersuchte sehr ausführlich die Absorption der Elektronenstrahlung durch verschiedene Metallfolien und Gasschichten bei den unterschiedlichsten Elektronenenergien. Dabei kam er zu den folgenden Versuchsergebnissen:

Elektronen können Metallfolien mit einer Dicke von mehreren Tausend Atomschichten durchdringen. Die Zahl \(N\) der während des Versuchs ungestreut durch die Folie gehenden Elektronen verringert sich mit der Dicke \(x\) der Folie nach dem Exponentialgesetz:

\[N(x) = {N_0} \cdot {e^{ - \alpha  \cdot x}}\]

 

Dabei ist \(N_0\) die Zahl der Elektronen vor der Folie, \(x\) die Foliendicke und \(\alpha\) der sogenannte Absorptionskoeffizient mit der Maßeinheit \(\left[ \alpha  \right] = \frac{1}{{\rm{m}}}\).

Die Herleitung dieses Exponentialgesetzes aus einfachen Annahmen können sich Experten einblenden lassen.

Bei konstanter Elektronengeschwindigkeit erweist sich der Absorptionskoeffizient a als nahezu proportional zur Dichte \(\rho\) des Streumaterials. Die Schwächung des Strahls hängt also praktisch nur von der Masse der durchstrahlten Probe (bei gleicher Probenfläche) und nicht von der Art der Probe ab. Diese Erkenntnis bezeichnet man als Lenardsches Massenabsorptionsgesetz.

Diese Tatsache ist über einen Dichtebereich von mehr als sieben Zehnerpotenzen (vom verdünnten Wasserstoffgas bis zur Goldfolie) besser als 10% erfüllt.

Bei vorgegebenem Streumaterial nimmt der Absorptionskoeffizient \(\alpha\) mit zunehmender Elektronengeschwindigkeit stark ab, d.h. schnellere Elektronen sind durchdringender. Diese Erkenntnis führte schließlich zum Vorläufer des rutherfordschen Atommodells, dem von LENARD entwickelten Dynamidenmodell.

Die nebenstehende Abbildung zeigt einen kleinen Ausschnitt aus den Absorptionsmessungen LENARDs:

Auf der Hochwertachse ist der Quotient aus Absorptionskoeffizient und Dichte aufgetragen. Dabei bedeuten die rot geschriebenen Zehnerpotenzen, mit welchem Faktor dieser Quotient α/ρ bei der jeweiligen Kurve multipliziert werden muss.

Auf der Rechtswertachse ist der Quotient aus Elektronengeschwindigkeit und Lichtgeschwindigkeit aufgetragen.

 
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