Die Entdeckung des Neutrons
Kein eigenes Atommodell, sondern eine experimentelle Entdeckung. Sie ändert nichts an der Beschreibung der Elektronenhülle, macht aber den Aufbau des Atomkerns verständlich.
Historische Einordnung
Nach Rutherford wusste man, dass der Kern die positive und fast die gesamte trägt, und seit etwa 1919 kannte man das Proton als Träger der positiven Kernladung. Aber die Buchhaltung ging nicht auf: Ein Heliumkern hat die Ladung von 2 Protonen, aber die Masse von etwa 4. Rutherford vermutete deshalb schon 1920 ein zusätzliches, elektrisch neutrales Kernteilchen von etwa Protonenmasse.
Es zu finden war schwer, und zwar aus einem grundsätzlichen Grund: Fast alle Nachweisgeräte der Zeit reagierten auf elektrische Ladung. Ein neutrales Teilchen ionisiert nicht, hinterlässt keine Spur in der Nebelkammer und lenkt sich in keinem Feld ab. Man kann es nur indirekt an dem erkennen, was es anstößt.
James Chadwick (1891 bis 1974)
Britischer Physiker, Schüler Rutherfords. Wies 1932 das Neutron nach. Nobelpreis für Physik 1935.
Das Problem, das zu dieser Station führte
Um 1930 beobachteten Walther Bothe und Herbert Becker, dass Beryllium unter α-Beschuss eine ungewöhnlich durchdringende, ungeladene Strahlung aussendet. Irène und Frédéric Joliot-Curie fanden 1932, dass diese Strahlung aus Paraffin (einem wasserstoffreichen Stoff) schnelle Protonen herausschlägt. Beide Gruppen deuteten die Strahlung als energiereiche Gammastrahlung.
Chadwick rechnete nach und fand den Widerspruch: Damit ein masseloses Gammaquant Protonen auf die gemessenen bringt, müsste es unglaubwürdig viel tragen, weit mehr, als die Quelle hergab. Ein neutrales Teilchen mit etwa Protonenmasse erklärt dieselben Messwerte dagegen zwanglos, denn beim Stoß zweier etwa gleich schwerer Teilchen wird Bewegungsenergie besonders wirksam übertragen, wie beim Stoß zweier Billardkugeln. Chadwick vermaß die Rückstöße in Wasserstoff und Stickstoff, bestimmte daraus die des unbekannten Teilchens und veröffentlichte 1932 den Nachweis des Neutrons.
Grundannahmen
Das Bild vom Atom nach dieser Entdeckung:
Der besteht aus Protonen (positiv geladen) und Neutronen (ungeladen), zusammen Nukleonen genannt; beide sind etwa gleich schwer.
Die Protonenzahl (Kernladungszahl) legt das Element fest und bestimmt die Zahl der Hüllenelektronen des neutralen Atoms.
Die Neutronenzahl kann beim selben Element verschieden sein; solche Kerne heißen desselben Elements.
Die Elektronen bilden die Hülle; ihre Beschreibung durch das quantenmechanische Modell bleibt von der Entdeckung unberührt.
So kannst du es dir vorstellen
Mit dem Neutron wird das Gesamtbild des Atoms vollständig, das du heute in jedem Lehrbuch findest: innen der winzige Kern aus Protonen und Neutronen, außen die Elektronenhülle, beschrieben durch Orbitale.
Die Abbildung zeigt zusätzlich, warum die jetzt kein Rätsel mehr sind. Zwei Kerne mit derselben Protonenzahl, aber verschiedener Neutronenzahl gehören zum selben Element: gleiche , gleiche Hülle, gleiches chemisches Verhalten. Sie unterscheiden sich nur in der . Genau daran war Daltons Annahme „alle Atome eines Elements sind gleich“ gescheitert, und jetzt siehst du, welches Körnchen Wahrheit sie enthielt: Gleich ist die Protonenzahl, nicht die Masse.
Was folgt aus der Entdeckung?
1Ladung zählt Protonen, Masse zählt Nukleonen
Ein Kern wird durch zwei Zahlen beschrieben: die Kernladungszahl (Anzahl der Protonen) und die Massenzahl (Protonen plus Neutronen). Helium hat und meist , die Massenlücke von Rutherfords Zeiten ist damit geschlossen: 2 Protonen und 2 Neutronen.
2Isotope: gleiches Element, andere Masse
Wasserstoff kommt als leichter Wasserstoff (1 Proton), Deuterium (1 Proton, 1 Neutron) und Tritium (1 Proton, 2 Neutronen) vor. Chemisch verhalten sich alle drei praktisch gleich, weil die Hülle nur von abhängt; physikalisch unterscheiden sie sich in und teilweise in der Stabilität des Kerns.
3Der Schlüssel zur Kernphysik
Als ungeladenes Teilchen wird das Neutron vom Kern nicht abgestoßen und kann darum leicht in Kerne eindringen. Damit wurde es zum wichtigsten Werkzeug der Kernphysik, von künstlichen Kernumwandlungen bis zur (1938).
Was erklärt die Entdeckung?
Die Kernmassen passen nicht zur (Helium: doppelte Ladung, vierfache ).
Neutronen tragen bei, aber keine . Ladungszahl und Massenzahl sind zwei getrennte Angaben.
: Atome desselben Elements mit verschiedener (bekannt seit etwa 1913).
Gleiche Protonenzahl bedeutet gleiches Element und gleiche Chemie; eine andere Neutronenzahl ändert nur und Kerneigenschaften.
Die durchdringende Beryllium-Strahlung schlägt schnelle Protonen aus Paraffin.
Ein neutrales Teilchen mit Protonenmasse überträgt seine Bewegungsenergie beim Stoß auf Protonen besonders wirksam und durchdringt Materie, weil es nicht ionisiert.
Was bleibt offen?
Was hält den Kern zusammen?
Protonen stoßen sich elektrisch ab, und Neutronen liefern keine elektrische Anziehung. Es muss eine zusätzliche, sehr starke mit kurzer Reichweite geben (die Kernkraft). Sie zu verstehen ist Aufgabe der Kernphysik, nicht mehr der Atommodelle.
Auch Protonen und Neutronen sind nicht elementar.
Seit den 1960er Jahren weiß man, dass Nukleonen aus Quarks bestehen. Die Frage „was ist unteilbar?“ wandert also noch eine Ebene tiefer, und sie ist bis heute Gegenstand der Forschung.
Damit schließt sich der Bogen
Von Demokrits unteilbarem Teilchen bis zum Kern aus Protonen und Neutronen mit quantenmechanischer Hülle: Jede Station dieses Bereichs wurde nötig, weil ein zeigte, dass das bisherige Bild nicht mehr ausreichte. Wägungen erzwangen Dalton, Kathodenstrahlen erzwangen Thomson, die Rückstreuung erzwang Rutherford, die Spektrallinien erzwangen Bohr, die Feinstruktur erzwang Sommerfeld, die Elektronenbeugung erzwang die Quantenmechanik, und die Kernmassen erzwangen das Neutron.
Das ist der rote Faden, den du mitnehmen sollst: Atommodelle verändern sich, wenn neue Experimente zeigen, dass ein bisheriges Modell nicht mehr ausreicht. Kein Modell der Reihe war dumm, jedes war die beste Antwort auf die damals bekannten Messungen, und jedes ältere Modell leistet in seinem Gültigkeitsbereich bis heute gute Dienste.
Das musst du wissen
Das Neutron ist kein Atommodell, sondern eine Entdeckung: Der Kern besteht aus Protonen und Neutronen, die Neutronenzahl erklärt die . Damit ist das heutige Bild des Atoms vollständig.
Kleine Verständnisfrage
Deuterium hat ein Neutron mehr als leichter Wasserstoff. Warum verhalten sich beide chemisch trotzdem praktisch gleich?
Antwort anzeigenAntwort ausblenden
Chemisches Verhalten wird von der Elektronenhülle bestimmt, und die Hülle richtet sich nach der des Kerns, also nach der Protonenzahl. Beide haben 1 Proton, also 1 Hüllenelektron und dieselben Orbitale. Das zusätzliche Neutron ändert nur die des Kerns, nicht seine Ladung; deshalb bleibt die Chemie gleich, während sich etwa oder Reaktionsgeschwindigkeiten geringfügig unterscheiden.
Quellen
Die historischen Aussagen dieser Station stützen sich auf die folgenden Quellen. Die Darstellung ist eigenständig didaktisch aufbereitet und keine Übernahme der Texte.
- Possible Existence of a Neutron, James Chadwick (1932), Nature, Band 129 (Primärquelle)
- The Existence of a Neutron, James Chadwick (1932), Proceedings of the Royal Society A, Band 136 (Primärquelle)
- Künstliche Erregung von Kern-γ-Strahlen (Beryllium-Strahlung), Walther Bothe, Herbert Becker (1930), Zeitschrift für Physik, Band 66