為什麼說盧瑟福是發現「原子核」的「天選之人」

人們從古代開始就對物質的構成產生了濃厚的興趣，但限於當時科技水平的低下，人們只能用想像和經驗來彌補認識的不足。古希臘的哲學家曾經提出過「四元素」說，而古代中國哲學家也提出金木水火土五行，認為萬物統一於五行，即五種元素。

古希臘的四元素說

時間來到了十九世紀，英國年輕的科學家道爾頓結合前人的質量守恆定律、定比定律，經過自己的潛心研究提出了他的原子論學說，迅速被部分科學工作者所接受，在科學界掀起了一股研究原子的熱潮。當時大多數的科學家都接受了道爾頓的原子理論，認為構成物質的基本粒子——原子，是一個不可再分的實心小球。

道爾頓

打破「原子不可再分」神話的是J. J.湯姆生。他從1886年起研究真空放電，經過11年的努力，於1897年4月30日向英國皇家學會報告了實驗結果。他測定了電子的速率及其荷質比（m/e），明確地指出它們是帶負電荷的帶電粒子，其荷質比至少超過氫離子的荷質比1000倍。但是，電子是否比原子更基本呢？帶著這個問題，湯姆生進行了一系列的實驗。他分別在真空管中充入不同的稀薄氣體，又用不同材料的陰極重複實驗，電子的荷質比都不改變。據此，他斷言電子是一切原子中的基本組成部分之一。這一斷言無疑是向傳統觀念挑戰的宣言，原子不可再分的神話至此已支離破碎。

湯姆生

通常情況下呈電中性的原子中還包含有帶負電的電子這一事實表明原子中必定還包含有帶正電的部分，那麼這些正電荷的載體是什麼呢？它們又是如何在原子中分布的？但是對單個電子的直接感知永遠是超出人類感官的能力之外的。好在，人類洞察自然的本領與手段並不限於直接感覺。恩格斯曾指出：「只要自然科學在思維著，它的發展形式就是假說」。人類對原子結構的認識就是藉助於假說（模型）的力量而逐漸成熟的。

在實驗發現電子之後的第六年一一1903年，湯姆生提出了著名的原子結構模型一一「葡萄乾布丁」模型他認為原子裡面帶正電的部分均勻地分布在整個原子球體（直徑約為10-10米）中，而帶負電的電子則在這個球體中遊動。

湯姆生的這種原子結構模型使人們對原子的認識產生了質的飛躍，拉開了人類探索原子內部奧秘的序幕。但是湯姆生提出的這樣的假說要轉變為科學理論還需要大量的實證，還需要對原子進行進一步的觀察和研究。無論是證實還是證偽，我們必定都要打入原子的內部去獲取情報，才可以知道在原子內部是否存在均勻分布著的正電荷。那麼，怎麼進去呢？派誰去呢？誰有這麼大的本事？機會總是青睞有準備的人，盧瑟福就是這樣的「天選之人」，一個重大的歷史機遇就落到了盧瑟福的頭上。

盧瑟福

在講盧瑟福的研究之前我想先請朋友們思考一下，如果我們把原子比喻成一個球，現在想知道這個球裡面有什麼，你可以通過什麼方法來研究它內部的結構？

當然是用一個硬東西將球砸開呀，裡面有什麼不就一目了然了嘛。

盧瑟福在當時和我們想的是一樣的。那麼，問題來了，原子是微觀粒子，非常微小，用什麼砸？既然原子是微觀粒子，個頭非常小。那麼，你用來砸它的東西也必須是與它大小相仿的微粒，而且需要帶電荷，這樣就可以了解原子內部電荷的分布情況。最後，這種微粒還必須具有一定的質量和速度，這樣才會具有一定的動量，才能把原子「砸開」，一窺其內部情況（即不能用電子這樣的微粒去轟擊）。為什麼我們剛才說盧瑟福是「天選之人」呢，兩個原因：一、他是湯姆生的學生，在老師提出了原子結構模型後，他積極地通過實驗進行驗證；二、他手中正好有能夠「砸開」原子的「秘密武器」。

而這個「秘密武器」就是元素放射性的發現。1896年貝克勒爾發現了鈾的放射性，居裡就曾指出放射性是原子的內在過程。由此產生了原子結構的思想，也提出了探究這一結構的任務。「放射性」這個術語是居裡夫人提出來的，用它來描述鈾的輻射能力。

居裡夫人

居裡夫人還進一步發現了第二种放射性物質——釙。到1898年12月，居裡夫婦又提煉出一些放射性比釙還要強的東西，其中含有另一種在化學特性上和鋇很相似的元素，居裡夫婦把它定名為鐳，意思是「射線」。盧瑟福也參與了元素放射性的研究，並於1898年發現鈾和鈾的化合物所發出的射線有兩種不同類型：一種是極易被阻擋物吸收的，他稱之為α射線；另一種有較強的穿透能力，他稱之為β射線。經過盧瑟福設計的巧妙實驗，最終研究得出α射線就是高速運動著的氦離子（He2+）流，而α粒子完全具備我們剛才所說的砸開原子的幾個條件：有質量、有速度、帶電荷。當1903年盧瑟福的老師J. J.湯姆生提出了著名的原子結構模型一一「葡萄乾布丁」式之後，盧瑟福便萌發了用α粒子砸開原子來驗證湯姆生原子結構模型的想法。但此時還有幾個問題需要解決。

砸什麼？既然要研究原子的內部結構，當然是砸向某種原子，但是原子很微小，宏觀物體都是由數量及其龐大的原子構成的，要使α粒子砸向單個原子幾乎是不可能的。有沒有較好的解決方法呢？盧瑟福的助手給他提供了一個該問題的解決方案。我們都知道金屬有延性，是指金屬可以抽成細絲。例如最細的白金絲直徑不過1/5000mm。金屬又有展性，是指可以壓成薄片，例如最薄的金箔只有1/10000mm厚。延展性最好的金屬是金。據報導①有人將28克金延展至65公裡長；②一兩黃金，壓成金箔可覆蓋兩個籃球場。那麼，金箔自然會成為盧瑟福的選擇。

金箔

怎麼砸？怎麼觀察？最好要向金箔發射一束α粒子，我們要觀察α粒子與金箔的原子發生作用後會怎麼運動。（它們也許會徑直穿過金箔，也許會發生某種偏轉，也許會以各種角度反彈回來。因此，要做「散射」實驗。）觀測α粒子散射靠的是閃鋅屏，閃鋅屏也叫閃爍屏，是在屏幕上塗一層硫化鋅，α粒子打到它上面會發出微弱的閃光。實驗者用肉眼通過顯微鏡對準閃爍屏幕，一個一個地計數，再移動顯微鏡的位置，分別讀取不同位置的閃爍數，由此可以確定α粒子散射的統計分布。

除了上述的問題之外，做這樣一個實驗能不能在正常的空氣環境中進行？當然不行，這樣的實驗顯然需要在真空中進行，防止氣體分子對α粒子的運動產生影響。

至此，所有重大問題都找到了解決辦法，盧瑟福開始了震驚世界的著名實驗——「α粒子散射實驗」。

α粒子散射實驗示意圖

盧瑟福進行α粒子散射實驗只是想驗證湯姆生的原子結構模型，並不是想推翻他的老師的設想，但實驗結果卻遠非他想像的那麼簡單。α粒子散射實驗的數據顯示三個主要結果。第一，絕大多數α粒子直接穿過，沒有發生任何偏轉；第二，有少量α離子發生小角度的偏轉；第三，有非常少的α粒子（大約1/50000）沿著來的方向被彈回。

這個實驗的重點就在第三個現象上。α粒子如果被反彈回來，一定是遇到了質量比自身大得多的微粒（根據動量定律）。我們不難想像出金原子裡絕大多數地方都是空的（證據：實驗時，絕大多數的α粒子都垂直通過了金箔），金原子中絕大部分質量都集中在原子中一塊很小的區域裡（證據：實驗時，一些α粒子居然從金箔向它們入射的大致方向反彈回來。這種結果很少見）。

那麼實驗中的第二個現象可以讓我們得出什麼結論呢？有少量α粒子發生小角度的偏轉，說明它一定沒有碰上那個質量非常巨大而體積又非常小的區域，那麼為什麼還會發生小角度的偏轉？從電荷角度考慮，α粒子帶有正電荷，它們一定靠近但並沒有碰上原子中的正電荷。而發生小角度偏轉的這部分α粒子數量也是很少的，那就說明原子中的正電荷肯定也集中在某個很微小的區域。由於原子是電中性的，那麼帶負電荷的電子只能在這個帶正電荷微小的區域之外啦。

盧瑟福原本只是希望通過實驗來驗證自己老師湯姆生的原子結構模型，結果實驗現象與他當初的設想產生了天翻地覆的變化。盧瑟福完美踐行了亞里斯多德的名言「吾愛吾師，但吾更愛真理」。他根據α粒子散射實驗的證據歷時兩年終於提出了原子的核式模型。盧瑟福所描述的原子裡有一個帶正電的、比原子本身小10000倍的中心。這個中心同時也包含了原子的大部分質量。對於金原子來說，他發現原子中心的電量大約是電子電量的100倍。電子圍繞著帶正電的中心高速旋轉，就像行星圍繞太陽運動一樣，因此盧瑟福提出的原子核式模型也被稱為「行星模型」。1911年3月，這種新的原子模型在科學界公布。隨後，1912年10月，盧瑟福第一次使用了「原子核」這個術語。

盧瑟福「行星模型」