原子核

以上所述到底是怎么回事呢？那期间已经有了好几种原子模型。洛伦兹的设想是，电子被弹性地束缚于一个固定的中心，并以此来解释塞曼效应。还有普朗克的振子及其他一些模型，其中也包括J.J.汤姆逊提出的一种模型。他假定，原子是由一个以球形分布的正电荷及如同布丁中的葡萄干那样地散布其间的电子所组成。但是，此种在英格兰已颇为流行的原子（模型）却不能使α粒子大角度偏转，因为，如果α粒子接近布丁的中心，进而穿入这个中心，它将会处于平均电荷为零的区域，因而不可能被偏转。假使α粒子远距中心，到了原子的外面，上述情况也同样适用。

许多科学家，其中包括日本物理学家长冈，已经有原子结构可能象行星系统的想法，但这仍然是含糊不清的纯理论设想。卢瑟福为这一理论提供了坚实的实验基础，创立了一种至今仍然适用的原子模型。尽管现在原子必须用量子力学而不是用经典物理学加以描述，幸运的是，对卢瑟福的实验来说，量子力学和经典物理学却给出了相同的结果。卢瑟福假定，所有的正电荷（Ze）和质量都集中在中心的一个小体积内，他称之为核。核被Z个电子包围着，电子则围绕核旋转。带正电的核和带负电的电子之间的静电引力把整个原子紧紧地连结在一起。卢瑟福曾坦率地说过，由于他没有涉及体系的稳定性，这是一个弱点，招致了严重的困难。α粒子可看作是一个大质量的点电荷，当其向核入射时，按库仑定律被排斥，且正如牛顿已经作过的计算一样，它沿一双曲轨道运动，并以核作为双曲线的焦点之一（图6.2）。看来，似乎卢瑟福在新西兰求学时就学了这一点。电子，由于它比核轻成千上万倍，对α粒子的轨迹不会产生什么影响。根据卢瑟福的这个原子模型，人们就可以确定α粒子穿过箔形材料时以某一角度θ被偏转的几率。

图6.2　被核偏转的α粒子的轨道（从P至P'）。α粒子穿过薄金属片的偏转角所遵循的定律可根据此图进行计算。这就证实了原子中存在一个带电的散射中心，这个中心后来就叫做核

具体而言，每个入射在单位体积含原子数n、厚度为t的靶上的α粒子落在对靶所张立体角为dω的屏上的数目[1]，可用表示

式中θ是偏转角，υ是粒子的速度，m为它们的质量。核的质量相对于m而言可看作无穷大。卢瑟福于1911年4月向哲学杂志寄去了记述他这项工作的手稿。

采用图6.3所示的简单装置，盖革和马斯敦通过改变受α粒子轰击的材料，即改变材料的Z；变更α粒子的速度；改变金属薄片的厚度；或者改变观察角θ等方法，对上述公式进行了详尽的验证。

数Z表征靶的化学性质，叫做原子序数。它代表核电荷，单位等于一个电子电荷但符号相反。对氢，Z=1，氦Z=2等等。这一发现给化学元素的定义以新的内容。现在，人们已能把每一个元素都同一个整数Z联系起来，数Z也给出了轨道电子的数目。当1869年门捷列夫凭借其卓越的直觉知识列出周期表的时候，他已经按照各种元素的原子量对它们进行了有序的排列。现在，卢瑟福的模型揭示出，应该按原子序数来排列，而不是原子量！1913年，荷兰业余科学家安东尼·范·登·布罗克（Antonius van den Broek）首先注意到了这一点。

图6.3　盖革和马斯敦研究α粒子散射用的装置。R是α粒子源，放在真空容器B中的一只铅盒内。一细束α粒子经过狭缝射入薄金属条F。穿过薄金属条的α粒子撞击荧光屏S，可用显微镜M观察，显微镜与B可一起绕TF转动