卢瑟福的原子

卢瑟福是来自距离英国万里之遥的新西兰的留学生，他进入剑桥大学卡文迪许实验室后跟随汤姆孙学习实验物理学。由于他勤奋好学，刻苦钻研，很快就做出了成绩。

1896年，欧洲大陆传来了法国科学家贝克勒尔发现原子有放射性的消息。汤姆孙非常激动，他让卢瑟福做实验搞清楚从放射性原子中跑出来的究竟是些什么东西。

经过卢瑟福和其他人的努力，终于搞清楚从铀、镭、钋等放射性元素的原子里放射出来的至少有三种射线：第一种射线是中性不带电的，被命名为γ（读作“伽玛”）射线，它有很强的穿透力，连木板都能穿透；第二种射线带正电，穿透力很弱，被命名为α（读作“阿尔发”）射线；第三种射线带负电，在很多方面类似于阴极射线，只不过它们是快速运动的电子，所以有较大的穿透力，这种射线被命名为β（读作“贝他”）射线。如此看来，原子内部更加复杂了，不仅有带负电的电子，还有带正电的α粒子，甚至有中性的γ粒子（后来知道它是一种高能光子）。这么许多东西在原子里究竟是怎么分布的？这个问题连汤姆孙也搞不清。

卢瑟福对α射线特别感兴趣，他经过深入研究后发现了这种射线的许多特点。例如，他发现α射线是一种“α粒子”流，每个α粒子带两个正电荷，可能是氦原子的正离子。令他感到吃惊的是，有些α粒子能以每秒2万千米的速度从原子里面射出来，比普通炮弹不知快了多少倍。这一特点使他萌生了将α粒子当作“炮弹”，把它们射进难以攻破的原子“堡垒”中去刺探情况的想法。于是他指示自己的助手盖革和学生马斯登，用α粒子去轰击金箔。这张金箔薄得透明，只有头发丝直径的千分之一那么厚。然而，在这么一点点距离上竟也排列着2000个原子。“α炮弹”只有穿越过这2000个原子的“防阵”，才能到达放在金箔后面的照相底片或荧光屏上。α粒子一打到荧光屏上，就会使被打中的地方闪现一下亮光。根据亮光出现在荧光屏上的位置，就能判断α粒子穿过金箔后射出的方位。

实验没进行几天，忽然有一天，盖革冲进了卢瑟福的办公室，气喘吁吁地报告说：“我们看到有些α粒子被金箔弹回来了！”卢瑟福几乎不相信自己的耳朵，因为按照汤姆孙的原子模型，这样的事是不可能发生的。在一个“葡萄干蛋糕”式的原子中，浸在正电物质中的电子因其质量微小，当然无法阻挡比它重七八千倍的α粒子的“入侵”，这样小的一颗颗“葡萄干”是根本挡不住一只“铅球”的。另一方面，那些带正电的物质虽然会对也是带正电的α粒子产生静电斥力，但由于这些正电荷是均匀分布在整个原子中的，力量太分散了，根据电学理论计算，这样的正电物质也不可能对带正电的α粒子产生很强的抵抗力。据此，卢瑟福曾经预料，α粒子这个强大的“入侵者”将通行无阻地穿过“原子王国”的国土。即使遇到“抵抗”也是轻微的，其结果是α粒子穿出原子后稍稍改变一下它的前进方向（物理学上称这为“散射”）。按汤姆孙原子模型计算，α粒子被散射的角度很小。然而，眼前的事实是，α粒子竟遭“迎头痛击”，被弹了回来，显然是α粒子遇上了比它更强的对手。

对于这样的实验结果，卢瑟福思考了好几个星期。结果他提出了一个新的原子模型：原子中有一个很重的核心（叫“原子核”），它集中了原子质量的99%，还集中了全部正电荷，至于电子，则像太阳系的行星一样分布在核心四周绕着它转。后来人们把卢瑟福的原子模型称为“行星模型”。根据新的模型，金原子的核心确实有足够强大的能力能将α粒子弹回去，因为金原子的质量是α粒子的49倍！而使α粒子弹回去的力则是金原子核的正电斥力。