3D-gedrucktes Streuexperiment à la Rutherford

Streuexperimente stellen einen wichtigen Typus von Experimenten in der Hochenergiephysik dar. Mit der Hilfe von Streuexperimenten untersuchen Wissenschaftler*innen die innere Struktur von Teilchensystemen, wie zum Beispiel Atomen oder Protonen, oder die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Teilchen. Dabei wird ein Strahl einer bestimmten Teilchensorte auf ein Streuobjekt gerichtet. Durch die Wechselwirkung zwischen den sogenannten ProjektilTeilchen und den Teilchen innerhalb des Streuobjektes kommt es dann zu Richtungsänderungen (elastische Streuung) oder Teilchenumwandlungen (inelastische Streuung), die mit der Hilfe von Detektoren aufgezeichnet werden. Je kleiner die zu untersuchenden Streuobjekte, desto höheren Energien benötigt man, um diese Strukturen aufzulösen. Daher wurden in der Vergangenheit immer bessere Teilchenbeschleuniger entwickelt, die hochenergetische Projektil-Teilchen für verschiedenste Streuexperimente zur Verfügung stellen. Eine detaillierte Beschreibung zur Physik von Streuexperimenten in der Hochenergiephysik fndet sich zum Beispiel in [1]. Eines der berühmtesten Beispiele eines elastischen Streuexperiments ist das sogenannte Goldfolien-Experiment. Geiger, Marsden und Rutherford untersuchten 1909 die Streuung von Heliumkernen an sehr dünnen Goldfolien. Dabei analysierten sie die Winkelverteilung der gestreuten Heliumkerne und Rutherford modellierte daraufhin die elektrische Ladungsverteilung im Atom. Die Beobachtungen widerlegten die Annahme, dass die positiven Ladungen im gesamten Volumen des Atoms gleichmäßig verteilt seien. Stattdessen ließen sich insbesondere große Streuwinkel besser mit einem kompakten zentralen Coulomb-Feld modellieren [2]. Die Erklärung ihrer Beobachtungen trug damit wesentlich zur Entwicklung des Rutherford‘schen und später des Bohr‘schen Atommodells bei. Das Goldfolien-Experiment stellt damit nicht nur einen Meilenstein der Atomphysik dar, sondern auch ein eindrucksvolles Beispiel der Modellbildung. Nicht zuletzt aus diesen Gründen wird das Goldfolienexperiment in gängigen Physiklehrbüchern erklärt und sogar die Verteilung der gestreuten ProjektilTeilchen interpretiert [3, 4]. Es ist leider relativ aufwändig und kostenintensiv, das Experiment real nachzustellen. Der Versuchsaufbau von LD Didactic beinhaltet zum Beispiel eine Vakuumpumpe sowie ein 330 kBq Americium-Präparat [5]. Allerdings lassen sich die Grundprinzipien einfach anhand eines mechanischen Modellversuchs nachvollziehen.