盧瑟福如何為看不見的原子畫像？

《α和β粒子的散射和原子的結構》是盧瑟福于1911年所寫的一篇著名論文。在這篇論文中，盧瑟福提出了著名的原子模型。盧瑟福的原子模型，成功地解釋了許多物理化學現象，是科學史上最偉大的成就之一。

自從道爾頓建立原子論以后，意大利科學家阿伏伽德羅又建立了分子論，使人類對原子的認識又前進了一大步。但是，他們保留了“原子是不可再分的最小微粒”這一錯誤觀念，所以，原子的大門一直緊閉著，誰也不知道、甚至誰也不想知道原子的內部世界究竟是個什么樣子。

1879年，有個名叫克魯克斯的英國人做了一個放電實驗。他在一個接近真空的玻璃管里裝了兩個電極。當通高壓直流電時，一種極不尋常的現象發生了：跟陰極相對的玻璃管壁上，出現了美麗的熒光。更令他驚奇的是，當時并沒有看到從陰極上有什么光線發射出來。

為了揭開這一秘密，克魯克斯繼續研究起來。他在管內陰極前面放上障礙物時，對面發光的玻璃上會出現陰影；在管內安裝云母風車葉時，能看到葉輪轉動起來。這說明有一條看不見的、具有一定質量和速度的粒子射線從陰極射出來。他發現這種射線在電場或磁場中發生偏轉，在電場中射線偏向正極。當時，人們稱這種射線叫“陰極射線”。

陰極射線是什么？自從它被發現后，科學家立即對它進行了種種推測。克魯克斯認為它是一種“陰離子流”，是管內的氣體分子在陽極上得到電荷形成的陰離子。因為陰離子同性相斥，又加上陽性的吸引，所以它就飛向陽極。而英國的湯姆遜認為陰極射線是一種帶負電荷的微粒子流，因為陰極射線可以穿過金屬薄膜，而離子是無能為力的。德國哥爾德斯坦認為是一種“以太波”，赫茲認為是一種“電磁輻射波”……真是眾說紛紜。

1897年，英國物理學家湯姆遜在劍橋大學做了一個具有歷史意義的實驗。他利用陰極射線在磁場和電場作用下發生偏離的現象，測出了陰極射線粒子流的速度及所帶電荷與質量的比值，其速度為光速的十分之一，荷質比值竟是帶負電氫離子荷質比值的1840倍。湯姆遜用其他方法測定，陰極射線粒子所帶的負電量和帶負電氫離子所帶負電量是相等的。根據荷質比來看，既然電荷相等，那么兩種帶電粒子荷質比數值相差這么大的原因，是由兩者質量所引起的，由此推算出陰極射線粒子的質量只有氫原子質量的1/1840。

當時人們只知道氫原子是組成物質最輕、最小的單元，可現在又出現了這種比氫原子還要小得多的粒子，簡直不可思議。湯姆遜領著他的助手又重復測量了好幾次，結果都差不多。并且他們還發現，這種荷質比不隨放電過程中氣體種類和電極材料改變而改變，說明這種粒子是各種原子的共同組成部分。湯姆遜就稱這種粒子為“電子”。

電子的發現打開了神秘的原子世界大門，打破了原子不可再分的傳統觀念，人類認識物質的微觀結構又登上了一個新的起點。

在陰極射線發現之后，德國物理學家倫琴又發現了另一種不可見的射線。這種射線是陰極射線在目標物上產生的。陰極射線是具有較高能量的電子流，這些流動的電子打擊在任何別的物質上，其能量就會發生轉換，成為與光一樣的射線發射出去。這種射線不帶電，具有一定的穿透本領，能穿透薄的金屬片、玻璃和肌肉，能在暗處使照相底片感光。克魯克斯在研究放電現象時，就發現放在放電管附近的密封的照相底片壞了，可他沒追究，以為是產品質量差而向廠家退了貨。倫琴發現的這種射線就是現在被廣泛用于醫療的X射線，也叫做倫琴射線。

就在倫琴射線發現后的第2年，法國的貝克勒爾在研究倫琴射線時，又發現一種鈾鹽能發出與倫琴射線不同的射線。這種射線也是不可見的，也能在暗處使照相底片感光，但它是自動發生的。

貝克勒爾的這一發現引起了波蘭女科學家瑪麗·居里和她的丈夫皮埃爾·居里的極大興趣，決心從事這項研究。他倆在一間破舊的木棚里，頂著零下六攝氏度的嚴寒，用極其簡陋的工具，干著繁重的體力勞動。經過兩年的艱苦努力，他們終于發現了比鈾放射性更強的兩種元素：釙和鐳。居里夫人把這種能自動發出射線的元素，稱為放射性元素。

放射性元素的發現，震驚了世界，不少科學家立即對它進行研究。1899年，英國物理學家盧瑟福把鐳的化合物放入上部留有小孔的鉛盒里，讓一束射線通過狹窄的小孔放出來。這束射線在外界電場（或磁場）的影響下分成了三支。盧瑟福把向負極偏轉且偏轉較小的帶正電荷的一支射線稱作α射線；把向正極偏轉且偏轉較大的帶負電荷的那支射線稱作β射線；把中間不發生偏轉、穿透力極強的一支射線稱作γ射線。

后來的實驗證明：α射線是一種帶正電荷的粒子流。每個α粒子帶有兩個單位正電荷，質量等于4，實際上它就是帶兩個單位正電荷的氦原子核，有一定的穿透能力，能穿透0.1毫米厚的鉛板。β射線跟陰極射線相似，也是由帶有一個單位的負電荷的粒子構成的電子流。不同的是β射線的速度幾乎等于光速而陰極射線的速度僅是它的一半。β射線的穿透能力比α射線大，能穿透幾毫米厚的鉛板。γ射線類似于x射線，它不是由微粒構成的，是一種波長特別短的電磁波。γ射線的穿透力比β射線還要大，能穿透幾厘米厚的鉛板。

倫琴射線以及元素放射性現象的發現，對原子不可分的傳統觀念又是一個沉重的打擊。它證實：原子不僅是可分的，而且其內部必定有復雜的結構。這就為原子結構理論的建立揭開了序幕，為揭開原子的秘密提供了條件，為撞開原子的大門鋪平了道路。

盧瑟福發現3種射線以后，對α射線特別感興趣。他測知α粒子能以每秒2萬千米的速度從原子里面射出來，比普通炮彈不知快了多少倍。于是，他想把α粒子當作“炮彈”，把它射進難以攻破的原子王國中去刺探情況。

為了實現自己的想法，盧瑟福設計了一個α粒子放射實驗：把α粒子流以很高的速度從放射源發出，經過兩塊帶有小孔的厚鉛板，這時除了從小孔穿過的α粒子外，其他大部分α粒子被鉛板所阻擋。而從小孔穿過的這束α粒子流，卻可以穿透他放在前面的極薄的金屬箔，并打在涂有熒光物質的屏幕上而發出閃光。從閃光點的位置，就可以推斷出，粒子在穿透薄金屬箔時，運動方向是否發生了改變。

1911年的一天，青年學生馬斯登前來跟盧瑟福學習技術，盧瑟福的得意門生漢斯·蓋革建議老師為他安排一些實驗。盧瑟福想一下，就叫他們用α粒子去轟擊金箔，順便練習怎樣用熒光屏來記錄那些穿過金箔的α粒子，并觀察出經過金箔后的α粒子射線的方位。

蓋革和馬斯登遵照老師的建議，進行α粒子的散射實驗。蓋革曾多次做過這個實驗，并設計過一種“計數管”，能對付那難以捉摸的α粒子，只要這種帶電微粒穿過計數管，與計數管相連的報警器就會發出響聲，指示燈也會亮一下。

他和馬斯登躲在熒光屏后，通過一架低倍顯微鏡觀察微弱的閃光，并認真記下閃爍的次數和散射的角度。忽然，他們看見有些α粒子被金箔彈回來了。真不可思議，連忙去報告盧瑟福。

盧瑟福一聽也大為震驚，這應當是絕不可能的事，用一枚重磅炮彈去轟擊一頁薄紙，難道炮彈會被紙片彈回來？

盧瑟福自己也連忙參加了這一實驗，事實真是如此。大部分α粒子暢通無阻地穿過了金箔，有少數α粒子像是遇到了什么麻煩，發生了偏轉；個別α粒子竟像碰到了堅硬的對手，被反彈回來了。

盧瑟福進行了反復的思考和分析：既然大部分α粒子能暢通無阻地穿過原子，這說明原子中有一個很大的空間，那么有一些發生偏轉，甚至有個別被彈了回來，這是什么原因呢？這肯定不是α粒子跟電子相撞而引起的。因為電子的質量極小，α粒子的質量比它大7000多倍。α粒子跟它相碰，運動方向是不會改變的。并且，原子中質量的分布以及正電荷的分布都是不均勻的，因為質量及正電荷的分布若是均勻的，α粒子在穿透原子時，運動狀況的改變也應當是均等的，那就不可能出現部分散射的現象了。那么原因在哪里呢？盧瑟福冥思苦想，終于找出了原子有核的結構：在原子中，質量及正電荷是集中在一個很小很小的體積里，它可以看作原子的核心。這個核心的體積至少要比整個原子的體積小許多萬倍。因為，只有這樣，大部分α粒子不會碰上或靠近這個核心而直線前進；少數α粒子靠近了這個核心，由于α粒子帶正電，同性電荷排斥，因而發生偏轉；個別α粒子碰上這個核心，偏轉角度就很大，甚至被反彈回來了。

1911年，盧瑟福寫出了著名論文《α和β粒子的散射和原子的結構》。在這篇著名論文中，他正式提出了原子模型：每個原子都有一個極小的核，核的直徑在10-12厘米左右，這個核幾乎集中了原子的全部質量，并帶有若干個單位的正電荷。原子核外有若干個電子繞核旋轉，核與電子之間的吸引力與電子繞核旋轉的離心力達成平衡。由于原子核所帶的正電荷數與電子所帶的負電荷數相等，所以在一般情況下，原子顯中性。

原子模型的提出，是盧瑟福在科學史上最偉大的成就之一。