Um über ein Atom, einen Atomkern oder ein Elementarteilchen Näheres zu erfahren, haben wir im Wesentlichen zwei Grundtypen von Experimenten kennen gelernt.
- Das "Anregungsexperiment": Dem Atom wird Energie zugeführt und man beobachtet die "Äußerungen" des Atoms. Ein Beispiel für diesen Typ ist das Experiment mit der BALMER-Röhre (Link am Ende dieses Artikels). Den Wasserstoffatomen wird über eine elektrische Entladung Energie zugeführt und man beobachtet die sich als Folge der Anregung ergebenden Spektrallinien. Aus deren Wellenlängen kann man Rückschlüsse auf die Energiestufen im Atom ziehen.
- Das "Streuexperiment": Das Atom wird mit Teilchen bombardiert und man beobachtet die Verteilung der gestreuten Teilchen. Ein sehr bekanntes Beispiel für diesen Typ ist der Versuch von RUTHERFORD (Link am Ende dieses Artikels), durch den man zu Beginn des vorigen Jahrhunderts zu der noch heute gültigen Kern-Hülle-Struktur des Atoms gelangte.
In der Kernphysik spielen die Streuexperimente eine ganz wesentliche Rolle, daher soll auf diesen Typ noch etwas näher eingegangen werden.
Grundaufbau eines Streuexperiments
Ein kollimierter Teilchenstrahl wird an einem Target (engl.: Ziel) gestreut. Aus der Winkelverteilung der gestreuten Teilchen schließt man auf die Struktur des Targets und auf die Art der Kräfte zwischen den Geschossen und den Bausteinen des Targets.
Aus der Streuverteilung der Geschosse und mit einer sinnvollen Modellvorstellung können dann Aussagen über die Struktur des zu untersuchenden Objekts gemacht werden.
Zu Streuexperimenten und ihrer Auswertung gibt es ein einfaches mechanisches Analogiemodell: Man stelle sich einen geschlossenen Karton vor, dessen gesamte Masse zwar bekannt ist, von dem man aber nicht weiß, wie sich die Masse über das Innere des Kartons verteilt. Das Innere des Kartons könnte aus einem Stoff kleiner Dichte wie z.B. Schaumstoff bestehen, der sich über das gesamte Volumen des Kartons erstreckt, oder aber es könnten sich im Karton an einigen Stellen kleine Körper aus einem Material mit hoher Dichte wie z.B. Blei befinden, deren einzelnen Massen sich zur Gesamtmasse addieren.
Wie kann man nun herausfinden, was sich genau im Inneren des Kartons befindet? Man stelltt den Karton auf einen Tisch und beschießt ihn mit verschiedenen Objekten!
Sind die Objekte groß, z.B. Fuß- oder Tennisbälle, so wird sich zwar der ganze Karton in Bewegung setzen, aber eine Information über das Innere des Kartons wird man so nicht erhalten.
Nimmt man kleinere Objekte, z.B. Dartpfeile, und wirft sie feste gegen den Karton, so werden diese womöglich den Karton durchdringen. Gehen alle Pfeile mit kleinerer Geschwindigkeit gerade durch den Karton hindurch, so wird die Masse im Karton homogen verteilt sein; werden aber einzelne Pfeile mehr oder weniger stark abgelenkt oder prallen sie gar von dem Karton ab, so kann man schließen, dass sich im Inneren des Kartons dichtere Materieklumpen befinden, mit denen die Pfeile zusammengestoßen sind.
Ist das letztere der Fall und beschießt man schließlich den Karton mit Gewehrkugeln, so kann es sein, dass aus dem Karton einzelne Materiestücke herausplatzen; dann kann man anhand dieser Stücke und ihrer Flugrichtungen sogar auf den inneren Aufbau der Materieklumpen im Karton schließen.