推翻老师的原子模型

英国物理学家汤姆逊是卢瑟福的老师。汤姆逊生于1856年，他的父亲是作书店生意的，在他14岁那年，他父亲就去世了，因此家境比较困难。他学习很努力，靠奖学金维持学习，18岁那年，就在老师的指导下完成了一篇科学论文《绝缘体之间的接触电位的研究》；1876年考上了剑桥大学三一学院的数学研究生，1881年就在剑桥大学三一学院当了研究员，1883年获得亚当斯奖金，1884年春被选为英国皇家学会会员，进入卡文迪什实验室工作；1897年春他发现了电子。

发现电子，在物理学的研究上可以说是一个里程碑。在发现电子以前，人们以为物质的最小单位是原子，以为原子是不可分割的。虽然人们知道有“电”这东西，可是错误地以为“电”是一种像水一样的液体，电流在电线中流就像水在管子中流那样。当时经典物理学，在力学、电磁理论、热力学各方面都已经发展得比较完善。以致很多物理学工作者认为物理学已经没有什么可以研究的了，物理学好像是已经开采完的一座矿山，已经面临枯竭的危机。现在好了，原来原子中还有电子，原子不是不可分割的，原子还有结构。

原子到底是怎样构造的呢？在20世纪初期，探索原子内部结构成了物理学领域内最振奋人的课题。

汤姆逊提出了他的原子模型。他认为原子的正电荷（正电荷数与原子序数一致）分布在一个球体上，这个球体的大小就是原子的大小；与正电荷数量相同的电子埋藏在这个球体中。这些电子若丢失了一个或几个，原子就成为带一个或几个正电荷的离子。

汤姆逊模型

这个模型如图所示，有点像西瓜，正电荷分布在西瓜瓤上，电子像西瓜籽。

发现原子核的是卢瑟福的α粒子散射实验。

卢瑟福对放射性继续不断地进行研究，特别对α粒子的各种性质感兴趣：如各种材料对α粒子的吸收，α粒子与别的原子的碰撞等等。1909年，盖革与他助手马斯登在观察α粒子透过金属薄膜向各方向散射的情况时，第一次发现α粒子有大角度的散射，如下图所示，这是一种很异常的现象。

α粒子的大角度散射

发现薄膜的原子量越大，出现α粒子大角散射的机会越多。当用铂（即白金）的薄膜让α粒子散射时，大约在8000个入射的α粒子中有一个散射角度大于90°，即成为大角散射。

卢瑟福很注意这个现象。他要从理论上来解释与计算α粒子的散射过程。α粒子通过白金薄膜会转弯，那是α粒子受到了原子的作用力。带电体之间的相互作用力与磁性物质之间的作用力，都与两物体的距离有关，距离近作用力大，随着距离的增加作用力减小得很快。α粒子的转弯的大小，也与被碰的物体的重量有关，α粒子比电子重7000多倍，一辆小汽车与一块小石头相撞，小石头不可能把汽车撞得转弯，因而使α粒子拐很大弯的不是电子，只能是带正电的部分。当时人们心目中的原子，是类似西瓜的汤姆逊模型，但是若α粒子在原子外（也就是相当于西瓜瓤外）通过，距离太远，作用力太小；若α粒子在原子内（也就是相当于在西瓜瓤内）通过，则两边的作用力相互抵消，也不能使α粒子拐很大的角度。

卢瑟福一边做各种散射实验，一边做计算，他终于觉得汤姆逊的原子模型与实际不符。唯一的可能是带正电荷的物体集中在一个很小的范围内，这就是原子核。1911年，卢瑟福就根据他的实验结果提出了原子的核模型。盖革回忆当时的情况，他说：那天，他的室主任（即卢瑟福）走进他的房间，平静而又兴致勃勃地说，他已经知道原子是什么样的东西了。

原子的核模型与太阳系很有点类似：太阳在中间，行星绕着太阳转；原子核在中间，原子核带正电，正电荷数与电子数目相等，也就是元素在周期表上的原子序数；电子绕着原子核转。最简单的原子是氢原子，只有一个电子绕着氢原子核转；氧气的原子就有8个电子绕着氧原子核转。原子核比原子要小很多很多，打个比方，若氢原子的电子是沿着400米的跑道在跑的话，氢原子核只有小拇指尖那么一点点。原子核虽然那么小，但原子的质量却主要集中在原子核上，氢的原子核就比电子重1800多倍。科学家就把氢原子核叫做“质子”。质子带正电，电量与电子所带的一样。一正一负，这样氢原子就电中性了。氧原子有8个电子绕原子核跑，氧的原子核带的正电荷也比质子大8倍，可是，氧的原子量却不是比氢原子核重8倍，而是重16倍。

原子的核模型

难道氧的原子核由16个质子组成，可是氧的原子核的正电荷只有质子的8倍！

难道原子核里还有自由电子？譬如，氧的原子核是不是由16个质子与8个自由电子组成？这样既符合了原子核的质量数，又符合了原子核的电荷数！当时，有的科学家就这样想。可是科学家要相信一桩事，一定要凭实验或理论的证明，不能光凭想象。用已有的理论一计算，发现电子不可能在核里待住，就像一个稀疏的鸟笼，格子太大了，没法关住一只灵活的小鸟一样。卢瑟福当时也不清楚电子是如何藏在原子核中的，他想电子一定是与质子以某种人们还不了解的方法结合在一起的。