3.3　有核原子模型

原子论的主张在古希腊时期就已经提出，它是科学史上一个非常重要的思想。因为原子论可以使得纷繁复杂的自然现象能够得到统一的解释，能够将宏观的东西归结为微观的东西，而这些微观的东西就是原子。如果我们把一个东西一分为二，它会变得更小，继续对它一分为二，它还会变得更小……这个过程可以持续无限地进行下去吗？原子论的回答是：不能！原子论认为，多次一分为二的极限是原子，而原子是不可再分的，这就是原子这个名词本身的含义。1897年，J J汤姆孙在研究阴极射线的时候，发现原子中有电子存在。这打破了上面提到的从古希腊人那里流传下来的“原子不可分”的理念。汤姆孙的实验明确地向人们展示了：原子不是不可分割的，它有内部结构。由于对原子结构缺少最基本的信息，于是汤姆孙就“展开他想象的翅膀”，给我们勾勒出原子这样的图像：原子呈球状，带正电荷，带负电的电子一粒粒地镶嵌在这个圆球上。这就是历史上著名的关于原子的“葡萄干布丁”模型（电子就像葡萄干一样，参见图2.3）。

汤姆孙的模型显然缺少证据！只有牢固地建立了科学思想的概念基础，科学的大发展才有可能。所以，不正确的汤姆孙模型并没有推动原子科学的大发展。一直到了十多年之后的1910年，卢瑟福和他的学生们进行了一个名垂青史的实验，才终于正确地建立了原子模型，科学才由此得到了大的突破。

卢瑟福的实验大致如下（图3.6）：他们用带正电的氦核（即α粒子）来轰击一张很薄的金箔，最初的目的只是想确认一下“葡萄干布丁”的大小等一些基本性质。但是实验的结果却是极为不可思议的。实验中有少数α粒子的散射角度非常大，以致超过了90°。卢瑟福认识到，α粒子被反弹回来必定是由于它们和金箔中原子内部某种极为坚硬的核发生了碰撞。这个核应该是带正电的，而且还集中了原子的大部分质量。另外，从只有一小部分α粒子遭受大角度的散射来看，那个核所占据的地方应该是很小的。卢瑟福估计，核的大小不到原子半径的万分之一。

图3.6　α粒子散射实验

说起来，卢瑟福（图3.7）是J J汤姆孙的学生。J J汤姆孙当时是一位大名鼎鼎的科学家，他是剑桥大学著名的卡文迪什实验室的头头，诺贝尔奖得主，电子的发现者。尽管如此，在新的实验事实面前，卢瑟福决定要修改他老师的“葡萄干布丁”模型，这正是“吾爱吾师，但吾更爱真理”的优良品格。于是1911年，卢瑟福发表了他的新的原子模型。新的原子图像是这样的（图3.8）：有一个带正电的原子核位于原子的中心，它虽然很小但是占据了原子的绝大部分质量；在这个原子核的四周，带负电的电子沿着特定的轨道绕着核运行。这是一个非常像行星系统的模型（如太阳系），所以自然而然地被称为“行星系统模型”（原子核对应着太阳，电子对应着行星）。

图3.7　卢瑟福

图3.8　有核原子模型

值得一提的是，卢瑟福既是一位伟大的物理学家，也是一位伟大的物理学导师（在4.1节中，我们还会提到索末菲也是一位伟大的物理学导师）。他能够以敏锐的眼光去发现物理天才，又总是以伟大的人格去关怀他们。这样，在卢瑟福身边工作的人，很多都表现得非常出色，从而产生了很多科学大师。这其中最有名的杰出人物当属玻尔和狄拉克。卢瑟福一生至少培养了10位诺贝尔奖得主（这还不包括他自己），除了玻尔和狄拉克之外，还有中子的发现者查德威克，威耳逊（Charles Thomson Rees Wilson，曾译为威尔逊）云室的改进者（从而在宇宙线和核物理领域作出巨大贡献）……以及四位诺贝尔化学奖得主。