卢瑟福如何为看不见的原子画像？

《α和β粒子的散射和原子的结构》是卢瑟福于1911年所写的一篇著名论文。在这篇论文中，卢瑟福提出了著名的原子模型。卢瑟福的原子模型，成功地解释了许多物理化学现象，是科学史上最伟大的成就之一。

自从道尔顿建立原子论以后，意大利科学家阿伏伽德罗又建立了分子论，使人类对原子的认识又前进了一大步。但是，他们保留了“原子是不可再分的最小微粒”这一错误观念，所以，原子的大门一直紧闭着，谁也不知道、甚至谁也不想知道原子的内部世界究竟是个什么样子。

1879年，有个名叫克鲁克斯的英国人做了一个放电实验。他在一个接近真空的玻璃管里装了两个电极。当通高压直流电时，一种极不寻常的现象发生了：跟阴极相对的玻璃管壁上，出现了美丽的荧光。更令他惊奇的是，当时并没有看到从阴极上有什么光线发射出来。

为了揭开这一秘密，克鲁克斯继续研究起来。他在管内阴极前面放上障碍物时，对面发光的玻璃上会出现阴影；在管内安装云母风车叶时，能看到叶轮转动起来。这说明有一条看不见的、具有一定质量和速度的粒子射线从阴极射出来。他发现这种射线在电场或磁场中发生偏转，在电场中射线偏向正极。当时，人们称这种射线叫“阴极射线”。

阴极射线是什么？自从它被发现后，科学家立即对它进行了种种推测。克鲁克斯认为它是一种“阴离子流”，是管内的气体分子在阳极上得到电荷形成的阴离子。因为阴离子同性相斥，又加上阳性的吸引，所以它就飞向阳极。而英国的汤姆逊认为阴极射线是一种带负电荷的微粒子流，因为阴极射线可以穿过金属薄膜，而离子是无能为力的。德国哥尔德斯坦认为是一种“以太波”，赫兹认为是一种“电磁辐射波”……真是众说纷纭。

1897年，英国物理学家汤姆逊在剑桥大学做了一个具有历史意义的实验。他利用阴极射线在磁场和电场作用下发生偏离的现象，测出了阴极射线粒子流的速度及所带电荷与质量的比值，其速度为光速的十分之一，荷质比值竟是带负电氢离子荷质比值的1840倍。汤姆逊用其他方法测定，阴极射线粒子所带的负电量和带负电氢离子所带负电量是相等的。根据荷质比来看，既然电荷相等，那么两种带电粒子荷质比数值相差这么大的原因，是由两者质量所引起的，由此推算出阴极射线粒子的质量只有氢原子质量的1/1840。

当时人们只知道氢原子是组成物质最轻、最小的单元，可现在又出现了这种比氢原子还要小得多的粒子，简直不可思议。汤姆逊领着他的助手又重复测量了好几次，结果都差不多。并且他们还发现，这种荷质比不随放电过程中气体种类和电极材料改变而改变，说明这种粒子是各种原子的共同组成部分。汤姆逊就称这种粒子为“电子”。

电子的发现打开了神秘的原子世界大门，打破了原子不可再分的传统观念，人类认识物质的微观结构又登上了一个新的起点。

在阴极射线发现之后，德国物理学家伦琴又发现了另一种不可见的射线。这种射线是阴极射线在目标物上产生的。阴极射线是具有较高能量的电子流，这些流动的电子打击在任何别的物质上，其能量就会发生转换，成为与光一样的射线发射出去。这种射线不带电，具有一定的穿透本领，能穿透薄的金属片、玻璃和肌肉，能在暗处使照相底片感光。克鲁克斯在研究放电现象时，就发现放在放电管附近的密封的照相底片坏了，可他没追究，以为是产品质量差而向厂家退了货。伦琴发现的这种射线就是现在被广泛用于医疗的X射线，也叫做伦琴射线。

就在伦琴射线发现后的第2年，法国的贝克勒尔在研究伦琴射线时，又发现一种铀盐能发出与伦琴射线不同的射线。这种射线也是不可见的，也能在暗处使照相底片感光，但它是自动发生的。

贝克勒尔的这一发现引起了波兰女科学家玛丽·居里和她的丈夫皮埃尔·居里的极大兴趣，决心从事这项研究。他俩在一间破旧的木棚里，顶着零下六摄氏度的严寒，用极其简陋的工具，干着繁重的体力劳动。经过两年的艰苦努力，他们终于发现了比铀放射性更强的两种元素：钋和镭。居里夫人把这种能自动发出射线的元素，称为放射性元素。

放射性元素的发现，震惊了世界，不少科学家立即对它进行研究。1899年，英国物理学家卢瑟福把镭的化合物放入上部留有小孔的铅盒里，让一束射线通过狭窄的小孔放出来。这束射线在外界电场（或磁场）的影响下分成了三支。卢瑟福把向负极偏转且偏转较小的带正电荷的一支射线称作α射线；把向正极偏转且偏转较大的带负电荷的那支射线称作β射线；把中间不发生偏转、穿透力极强的一支射线称作γ射线。

后来的实验证明：α射线是一种带正电荷的粒子流。每个α粒子带有两个单位正电荷，质量等于4，实际上它就是带两个单位正电荷的氦原子核，有一定的穿透能力，能穿透0.1毫米厚的铅板。β射线跟阴极射线相似，也是由带有一个单位的负电荷的粒子构成的电子流。不同的是β射线的速度几乎等于光速而阴极射线的速度仅是它的一半。β射线的穿透能力比α射线大，能穿透几毫米厚的铅板。γ射线类似于x射线，它不是由微粒构成的，是一种波长特别短的电磁波。γ射线的穿透力比β射线还要大，能穿透几厘米厚的铅板。

伦琴射线以及元素放射性现象的发现，对原子不可分的传统观念又是一个沉重的打击。它证实：原子不仅是可分的，而且其内部必定有复杂的结构。这就为原子结构理论的建立揭开了序幕，为揭开原子的秘密提供了条件，为撞开原子的大门铺平了道路。

卢瑟福发现3种射线以后，对α射线特别感兴趣。他测知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。于是，他想把α粒子当作“炮弹”，把它射进难以攻破的原子王国中去刺探情况。

为了实现自己的想法，卢瑟福设计了一个α粒子放射实验：把α粒子流以很高的速度从放射源发出，经过两块带有小孔的厚铅板，这时除了从小孔穿过的α粒子外，其他大部分α粒子被铅板所阻挡。而从小孔穿过的这束α粒子流，却可以穿透他放在前面的极薄的金属箔，并打在涂有荧光物质的屏幕上而发出闪光。从闪光点的位置，就可以推断出，粒子在穿透薄金属箔时，运动方向是否发生了改变。

1911年的一天，青年学生马斯登前来跟卢瑟福学习技术，卢瑟福的得意门生汉斯·盖革建议老师为他安排一些实验。卢瑟福想一下，就叫他们用α粒子去轰击金箔，顺便练习怎样用荧光屏来记录那些穿过金箔的α粒子，并观察出经过金箔后的α粒子射线的方位。

盖革和马斯登遵照老师的建议，进行α粒子的散射实验。盖革曾多次做过这个实验，并设计过一种“计数管”，能对付那难以捉摸的α粒子，只要这种带电微粒穿过计数管，与计数管相连的报警器就会发出响声，指示灯也会亮一下。

他和马斯登躲在荧光屏后，通过一架低倍显微镜观察微弱的闪光，并认真记下闪烁的次数和散射的角度。忽然，他们看见有些α粒子被金箔弹回来了。真不可思议，连忙去报告卢瑟福。

卢瑟福一听也大为震惊，这应当是绝不可能的事，用一枚重磅炮弹去轰击一页薄纸，难道炮弹会被纸片弹回来？

卢瑟福自己也连忙参加了这一实验，事实真是如此。大部分α粒子畅通无阻地穿过了金箔，有少数α粒子像是遇到了什么麻烦，发生了偏转；个别α粒子竟像碰到了坚硬的对手，被反弹回来了。

卢瑟福进行了反复的思考和分析：既然大部分α粒子能畅通无阻地穿过原子，这说明原子中有一个很大的空间，那么有一些发生偏转，甚至有个别被弹了回来，这是什么原因呢？这肯定不是α粒子跟电子相撞而引起的。因为电子的质量极小，α粒子的质量比它大7000多倍。α粒子跟它相碰，运动方向是不会改变的。并且，原子中质量的分布以及正电荷的分布都是不均匀的，因为质量及正电荷的分布若是均匀的，α粒子在穿透原子时，运动状况的改变也应当是均等的，那就不可能出现部分散射的现象了。那么原因在哪里呢？卢瑟福冥思苦想，终于找出了原子有核的结构：在原子中，质量及正电荷是集中在一个很小很小的体积里，它可以看作原子的核心。这个核心的体积至少要比整个原子的体积小许多万倍。因为，只有这样，大部分α粒子不会碰上或靠近这个核心而直线前进；少数α粒子靠近了这个核心，由于α粒子带正电，同性电荷排斥，因而发生偏转；个别α粒子碰上这个核心，偏转角度就很大，甚至被反弹回来了。

1911年，卢瑟福写出了著名论文《α和β粒子的散射和原子的结构》。在这篇著名论文中，他正式提出了原子模型：每个原子都有一个极小的核，核的直径在10-12厘米左右，这个核几乎集中了原子的全部质量，并带有若干个单位的正电荷。原子核外有若干个电子绕核旋转，核与电子之间的吸引力与电子绕核旋转的离心力达成平衡。由于原子核所带的正电荷数与电子所带的负电荷数相等，所以在一般情况下，原子显中性。

原子模型的提出，是卢瑟福在科学史上最伟大的成就之一。