Title:

Atombau

Description:  Papier und Folie ziehen sich an, und wir erklären die Beobachtung mit dem Rosinenkuchenmodell.
Author:Ulrich Helmich
deutsch
  
ISBN: 3642014305   ISBN: 3642014305   ISBN: 3642014305   ISBN: 3642014305 
 
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Atombau 1

Papier und Folie ziehen sich an, und wir erklären die Beobachtung mit dem Rosinenkuchenmodell.

Ein Versuch zum Atombau

Wir wollen zunächst einen ganz einfachen Versuch zum Thema Atombau durchführen.

Versuch 1:
Klarsichtfolie und Papier

Eine Klarsichtfolie und ein Stück Papier werden aufeinander gelegt. Dann wird mit einem Wolllappen die Klarsichtfolie stark gerieben. Danach scheint die Folie an dem Papier zu "kleben", Folie und Papier ziehen sich ziemlich stark an. Auch aus dem Alltag ist diese Eigenschaft von Kunststofffolie bekannt.
 

Was hält Papier und Folie zusammen?

Wie immer, wenn man einen Versuch durchgeführt hat, kommt nun die Hauptarbeit: wie kann man die Beobachtungen interpretieren bzw. deuten? Fangen wir mit dem ersten Versuch an.

Hier stellt sich die Frage, was eigentlich das Papier und die Folie zusammenhält. Sehen kann man nichts; es ist auch kein Klebstoff oder eine Flüssigkeit durch das Reiben freigesetzt worden.
Magnetische Anziehungskräfte kommen nicht in Frage, sie wirken nur auf bestimmte Metalle, mit Sicherheit aber nicht auf Papier und Kunststoff.
Die Massenanziehung ist auch nicht für das Zusammenpappen von Folie und Papier verantwortlich, es bleibt nur noch eine bekannte Kraft - die elektrostatische.

Offensichtlich laden sich Papier und Folie durch das Reiben elektrostatisch auf, und zwar unterschiedlich.

Jetzt wollen wir diese unsere Erkenntnis prüfen! Eine Hypothese ist nur dann was wert, wenn man mit ihr Vorhersagen machen kann, die eindeutig überprüfbar sind.
 

Wieso laden sich Papier und Folie überhaupt auf?

Nachdem dies geklärt ist, stellt sich die nächste Frage: Wieso laden sich Papier und Folie überhaupt durch das Reiben elektrisch auf? Wie kann man sich die unterschiedliche elektrische Ladung erkären?

Hierzu entwerfen wir eine einfache Modellvorstellung: Ein Stoff wie Papier oder Kunststoff besteht aus kleinsten Teilchen (Atomen bei Elementen, Molekülen bei Verbindungen). An sich sind diese Teilchen elektrisch neutral, einige wenige können aber eine kleine negative Ladung abgeben, ein Elektron. Zurück bleibt dann ein positiv geladenes Atom oder Molekül, ein sogenanntes Kation (negativ geladene Atome oder Moleküle würde man entsprechend als Anion bezeichnen).

Abbildung 1:
Folie (oben) und Papier (unten) enthalten jeweils 8 Kationen und 8 Elektronen.

Durch das Reiben werden nun zwei der 8 Elektronen aus dem Papier in die Folie transportiert:

Abbildung 2:
Folie und Papier nach dem Reiben.

Die Folie enthält nun 10 negative und 8 positive Ladungen, ist also insgesamt zweifach negativ geladen. Entsprechend fehlen dem Papier zwei Elektronen, es ist zweifach positiv geladen (wir sprechen natürlich immer nur von einem extrem winzigen Ausschnitt).

Das positiv geladene Papier und die negativ geladene Folie ziehen sich gegenseitig an.

 

Ganz stimmt unser Modell aber nicht!

Unser Modell ist super! Es erklärt auf anschauliche Art und Weise nicht nur, warum sich Papier und Folie anziehen, sondern auch, wie es dazu kommt. Nur leider stimmt das Modell nicht ganz.

Wenn es stimmen würde, dann müssten Papier und Kunststoff nämlich den elektrischen Strom leiten!

So, wie der Sachverhalt bisher dargestellt wurde, sind die Elektronen des Papiers und der Folie nämlich ziemlich leicht beweglich. Wenn man nun eine elektrische Spannung anlegen würde, z.B. links einen Pluspol und rechts einen Minuspol, so müssten die Elektronen nach links fließen, und es müsste ein Strom zu messen sein:

Abbildung 3:
Wären die Elektronen im Papier / in der Folie frei beweglich, so müsste der Stoff den elektrischen Strom leiten.

 

Atome sind so ganz unteilbar nicht!

Wir benötigen ein besseres Modell. Die Elektronen dürfen nicht so frei beweglich sein, sondern müssen (zunächst) an die positiven Ladungsträger gebunden sein. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung passiert dann nichts. Beim Reiben des Papiers lösen sie sich aber von den positiven Ladungsträgern und gehen in die Folie über.

Wie können wir uns diese relativ feste Verbindung positiver und negativer Ladungsträger anschaulich vorstellen? Nun, dazu kann man mehrere verschiedene Modelle entwickeln.

Abbildung 4:
Ein mögliches Atommodell

Dies ist z.B. eines dieser Modelle. In der Mitte sieht man die großen positiven Ladungsträger, außen herum die negativen. Die Elektronen sind hier nicht frei beweglich, da sie von den positiven Ladungsträgern angezogen werden. Man kann sich aber gut vorstellen, dass sich durch Energieeinwirkung (z.B. Reiben oder Erwärmen) einige Elektronen aus dem Verband lösen. Allerdings hätte dieses Modell einen Nachteil: die "Papierteilchen" müßten sich gegenseitig abstoßen, da sie alle auf der Außenseite eine negative Ladung tragen.

Bei einem anderen Modell werden die negativen Ladungen nach innen verlagert:

Abbildung 5:
Ein weiteres Atommodell

Hier könnte man einwenden: das ist ja das gleiche wie bei dem vorherigen Modell, nur dass jetzt die Außenseiten der Teilchen positiv geladen sind. Auch hier müssten sich die Teilchen gegenseitig abstoßen.

 

Erklärung des Versuchs

Folgendes Modell würde sich als Kompromiss anbieten:

Abbildung 6:
Das Rosinenkuchenmodell von Thomson

Dieses Modell wird auch als "Rosinenkuchenmodell" bezeichnet. Es wurde von dem Engländer Thomson 1904 aufgestellt. Heute hat man wesentlich bessere Atommodelle, aber zur Erklärung der Anziehung von Papier und Folie reicht das Rosinenkuchenmodell völlig aus. Allerdings bestehen Papier und Folie nicht aus Atomen, sondern aus Molekülen, die dann ein Elektron abgeben können.

Durch das Reiben geben die Papiermoleküle nun einen Teil ihrer Elektronen ab. Sie wandern in die Kunststofffolie, so dass sich diese negativ auflädt.

Abbildung 7:
Ein Papier- und ein Kunststoff-Teilchen vor dem Reiben. Beide Teilchen sind nach außen hin elektrisch neutral, weil sie gleiche Zahlen positiver und negativer Ladungsträger enthalten.

Abbildung 8:
Nach der Energiezufuhr durch Reiben sind beide Teilchen elektrisch geladen. Das linke einfach positiv, das rechte einfach negativ.

Durch das Reiben verlassen einige Elektronen die Papierteilchen und setzen sich in die Kunststoffteilchen. Das Papier enthält nach dem Reiben positive Teilchen, der Kunststoff negative. Die Folge: Papier und Kunststoff ziehen sich gegenseitig an.

 

Joseph John Thomson ist Mitbegründer der modernen Atomphysik. Sein Rosinenkuchen – Modell wurde erst durch Rutherfords Vorstellungen, später dann das Bohr´sche Atommodell abgelöst.

Ab 1884 war er Professor und Direktor am Cavendish Laboraty in Cambridge, ab 1915 Präsident der Royal Society.

Er untersuchte vor allem den Elektrizitätsdurchgang durch Gase und im Vakuum, wobei er 1896/97 die elektrische Leitfähigkeit von Gasen bei Absorption von Röntgenstrahlen sowie die elektrische und magnetische Ablenkbarkeit von Kathodenstrahlen nachwies.

Ebenfalls wurde von ihm das Verhältnis der Elektronenladung zur Elektronenmasse e/m bestimmt, wodurch er zum eigentlichen Entdecker des Elektrons wurde.

Dann eben entdeckte Joseph J. Thomson 1897 die sogenannte Kathodenstrahlung (die man heute in Fensehbildröhren findet) das aus geladenen Teilchen besteht, die aus den Atomen kommen, somit musste die Idee vom unteilbaren Atom aufgegeben werden.
Man kann offenbar Teilchen, die man Elektronen nennt aus dem Atom herauslösen.

http://www.bhak-bludenz.ac.at/
physik/geschichte/physiker/
thomsonj.shtml

Nächstes Kapitel:
Wir elektrolysieren eine Zinkbromid-Lösung...

  
Kraftwerkstechnik: zur Nutzung fossiler, nuklearer und regenerativer Energiequellen (VDI-Buch)
Siehe auch:
Energietechnik: Systeme zur Energieumwandlung. …
Sonstige Artikel:
Industrielles Rechnungswesen - IKR: Übungen zur Finanzbuchhaltung: Übungsheft, 2., aktualisierte Auflage, 2012: Übungen zur Finanzbuchhaltung: Übungsheft - alle Bundesländer
von Siegfried Schmolke,
Manfred Deitermann,
Wolf-Dieter Rückwart
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HGB-Jahresabschluss 2004/05. Erstellung mit Plausibilitätsbeurteilung / Erstellung und Prüfung. 2 Bände: 2 Bde.
 
   
 
     

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