原子一詞是古希臘人發明的，意思是“不可分割”。一些古希臘哲學家認為，萬物都是由不可分割的原子組成的，不過因為古希臘的物理學只處于萌芽階段，沒有辦法驗證，所以這種觀點只停留在哲學上。

18世紀末，化學家發現化學反應前后的質量是不變的，而且化學反應的時候參加反應的反應物比例也是不變的。比如說，鐵和氧氣反應如果得到紅色粉末，那么一定是每100份鐵對應42份氧。如果是黑色粉末，那就一定是100份鐵對應28份氧。這說明，化學反應的時候存在某種看不見的基本單元，所有的反應都只能以這個基本單元的倍數進行。化學家約翰·道爾頓參考古希臘人的命名，把這個基本單元命名為“原子”，這就是科學原子論的誕生。

但是，現代意義上的原子也像古希臘人認為的那樣不可分割嗎？1897年，物理學家湯姆生制造出了一種帶有電荷的射線。湯姆生認為這種射線不是電磁波，而是由某種微小顆粒組成的，他測量了這種顆粒的質量，發現它非常之輕，是最小的原子——氫原子的一千八百分之一。于是湯姆生認為，原子是可分的，這種帶電的顆粒就是原子的組成元件。后人把它命名為電子。

電子帶有負電荷，但原子是中性的。負電的電子如何組成中性的原子？當時就有物理學家認為，原子的結構就像太陽系一樣，電子在外圍環繞，正電荷位于中心，這就是所謂的原子的行星模型。但是湯姆生指出，和行星不同，電子是帶電的，做圓周運動會釋放出能量，導致原子不穩定。所以，他提出了另一個模型：原子是一團均勻的正電荷，其中點綴著單個的電子，就像面包里嵌著葡萄干一樣，二者電荷抵消，讓原子整體表現為電中性。

這個模型解釋了原子的穩定性，在當時占據了壓倒性的優勢，但是在幾年之后，就遇到了一個更大的困難。

湯姆生的學生歐內斯特·盧瑟福發現，放射性原子可以自發地放出射線，他把這些射線分成三類，其中第一類稱為alpha射線。他認為alpha射線也是由微小顆粒組成的，想用和老師一樣的辦法測量顆粒的重量。可是他發現，這些顆粒撞到空氣就會到處亂飛，導致無法準確測量。

湯姆生自己測量電子的時候遇到過這個問題，他的解決辦法是抽真空。盧瑟福也用抽真空測出了顆粒的重量，但他發現這個顆粒非常重，是電子的幾千倍。

這就奇怪了。電子很輕，撞在空氣里的原子上被彈開可以理解。alpha射線如此之重，穿過葡萄干面包模型的原子應該不費吹灰之力才對，為什么反而會被彈開呢？看來，葡萄干面包模型存在某種嚴重的問題。

20世紀初的物理學家沒有任何辦法直接看到原子內部結構。但是，存在間接的辦法，看看粒子打在原子上會發生什么，就是其中之一。空氣里的原子布滿整個空間，處處皆可反彈，結果一團亂麻，但如果改變實驗條件，只允許反彈在指定的時間地點進行，就有可能解決這個謎題。

接下來盧瑟福進行了一系列的實驗。他把金屬壓成很薄的層，放在真空環境里，再用alpha射線擊打。結果發現，大部分的alpha射線直接穿了過去，少量發生了偏轉，還有極少情況下發生了巨大的反彈，超過90度。

如何理解這個現象？假如原子是均勻的電荷，就不會出現相差這么大的結果。因此盧瑟福認為，原子里的正電荷不是像葡萄干面包模型那樣攤開的，而是高度集中在原子內部的一小塊區域，形成一個原子核。射來的alpha射線如果離核心很遠，就直接穿過；如果正中核心，就會被大角度彈開。至于電子，則分布在外圍。就這樣，他用實驗證明了，行星模型是對的。

雖然這個證據十分強力，足以徹底推翻葡萄干面包模型，但是它反過來也逼迫物理學家去面對行星模型原本的問題：電子環繞原子核應該是不穩定的，為什么實際上是穩定的呢？量子力學，就是在解決這個問題的過程中誕生的。如果沒有盧瑟福，現代物理的半壁江山不知道會晚誕生多少年。

來源: 科普中國

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