7 充滿戲劇性的發現

在電子港獲取的知識使我們做好了去充分理解那里奇妙景象的準備，并充滿信心地回到了原子之地的海岸。但是除了電子之外，原子內肯定還有其他東西。因為電子和原子相比重量非常輕，所以一定有其他的什么部分組成了原子的大部分質量。而且，因為原子的電荷屬性為中性，所以其內部一定有什么是攜帶正電荷的，以平衡電子的負電荷。這個其他部分究竟是什么？且電子和它存在怎樣的位置分布關系？

原子放射性的發現為我們提供了深入探索原子領域所必需的第一套工具。原子之地的腹地在它的東邊。為了去探索內陸，我們需要比溫和的陰極射線所提供的更高的能量。幸運的是，一些元素會自主放射出比我們目前所知的任何粒子都要高的能量，其具體原因稍后將加以闡明。這個“交通工具”將承載著我們穿過原子之地的崎嶇山路。

最常見的自然放射效應之一為“阿爾法粒子”的放射。漢斯·蓋格、瓦爾特·穆勒和歐內斯特·盧瑟福（又在曼徹斯特）三位物理學家組成了探索原子之地腹地的先頭登陸部隊，他們取得了探索原子內陸早期最具決定性的發現。他們使用了由新發現的氡元素在放射性衰變中產生的阿爾法粒子去轟擊金元素的原子。因為阿爾法粒子含有較高能量，原則上它們完全能夠轟擊出藏在原子內部的其他的微小部分。換句話說，金原子內可能存在的組成部分，會使阿爾法粒子的行進方向發生偏轉，而通過分析阿爾法粒子散射的角度以及它們散射現象發生的概率，原子的內部結構細節能夠被推測出來。

在這個實驗之前，沒有人得以窺見原子內部的構造。關于原子內部究竟是什么樣的，有幾個不同的假說。一個描述原子內部構造的模型是梅子布丁模型，盧瑟福本人也十分推崇這個假說，即電子分布于整個原子內的空間，就好像帶負電荷的梅子分布在帶正電荷的布丁里。令人驚訝的是，梅子布丁模型里實際上并沒有梅子。而這份驚訝和蓋格、穆勒、盧瑟福在用阿爾法粒子轟擊金箔后所得到的驚訝相比，完全微不足道。在一個像梅子布丁一樣的原子中，阿爾法粒子應當能夠基本上橫沖直撞地穿過整個原子，只有少量偏轉現象發生。但是，雖然大多數阿爾法粒子幾乎毫無阻礙地徑直穿過了金箔，但是它們中的一些卻被直直地反彈了回去。還有一些行進的方向發生了偏轉，角度比像布丁一樣松散的原子內部結構所能引發的偏轉要大很多。盧瑟福曾有一個很著名的描述：這個結果就像向一張薄紙發射一顆15英寸的炮彈，然后炮彈反彈回來擊中你。

這條來自原子內部的異常信息只能被解讀為，原子內部絕大部分帶有正電荷的質量，都只集中在一個比原子自身體積小幾千倍以上的空間內。這就是我們現在所知的原子核。事實上，絕大部分的原子質量集中在大約10-15的原子體積的空間內。如此高的集中度是原子核能彈回阿爾法粒子的原因。每一個原子的基本結構都是這樣的：一個極重的原子核，被一片較輕的電子云包圍著。在探險的下一站，我們將探索原子核對電子的束縛及其深遠影響。