自從1789年法國化學家拉瓦錫（Lavoisier）定義了原子一詞后，人類一直在努力探索它結構的秘密。所有人都在好奇著，這種單一的粒子是怎么組成了世間萬物？原子實在是太小了，以至于人類永遠沒有辦法真正看見它們，但是，無數科學家在這個問題上前仆后繼著，用各種精巧的實驗作為支撐，不斷揭開了神秘原子的面紗。而其中最突出的，莫過于英國物理學家歐內斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）。

21歲的盧瑟福（維基百科）

1895年，在新西蘭老家農場挖著土豆的盧瑟福收到了英國劍橋大學寄來的錄取通知書，恭賀他成為了劍橋大學物理系卡文迪許實驗室的獎學金生。盧瑟福扔掉挖土豆的鋤頭喊：“這是我挖的最后一個土豆啦！”卡文迪許實驗室是近代科學史上非常有名的物理實驗室。就這樣，24歲的盧瑟福成為了這所偉大實驗室的第一名海外學生，進入卡文迪許實驗室后便成為了實驗室主任約瑟夫·約翰·湯姆遜（J. J. Thomson）的學生。

湯姆遜是誰呢？他是后來1906年的諾貝爾物理學獎獲得者、世界上第一個發現電子的人。自從原子理論被創立后，在很長的一段時間內，人們都認為原子就是一個小的不能再小的玻璃實心球，里頭再也沒什么花樣了。盧瑟福剛剛進入卡文迪許實驗室的時候，湯姆遜正在研究陰極射線的本質。在過去的二十多年間，科學家們一直對此爭論不休。1897年，湯姆遜設計了一個巧妙的實驗：他將一塊涂有硫化鋅的小玻璃片，放在陰極射線所經過的路途上。硫化鋅能夠用發光的形式顯示出陰極射線的軌跡，在一般情況下，陰極射線是呈直線行進的，但如果在射擊先關的外面加上電場，陰極射線就會發生偏折。通過對陰極射線偏折角度的計算，湯姆遜很快得出結論：這些射線是帶有負電的物質粒子。后來，湯姆遜還成功地測量出了這種粒子的質量，發現它比氫原子的質量要小得多，大約只是氫原子的二千分之一。

湯姆遜的陰極射線實驗（維基百科）

這樣一來，原子的神秘面紗總算被輕輕撩起了一些了。過去人們一般都認為原子是“不可分割”的，湯姆遜的實驗指出，原子其實是由許多部分組成的，這標志著原子時代的開始。

湯姆遜很快又深入了對原子結構的研究。在一般情況下，原子是不帶電的。既然原子內部存在著帶有負電的電子，那就意味著，它內部還有一些帶正電的物質與之相衡，令整個原子呈中性。根據這個思路，湯姆遜提出了一個“葡萄干蛋糕”模型來解釋原子的結構。他認為，原子含有一個均勻的帶正電的電球，若干個帶負電的電子鑲嵌在其中。正電球是蛋糕，負電子就是里頭的葡萄干。這個模型不僅能解釋為什么原子是中性的，還解釋了原子的分布情況，而且根據這個模型還能估算出原子的大小，這是一個極為了不起的成就。因此，這個模型很快被當時的物理學家們接受了。

1898年，在湯姆遜的指導下，盧瑟福做了他在卡文迪許實驗室的第一個獨立實驗。在這個巧妙的實驗中，他首次發現天然射線是由好幾種不同的射線構成的。首先，他將鈾、鐳等具有放射性的元素放在一個鉛制的容器里，在容器上只開一個小孔。由于鉛能夠阻擋射線，所以只有一小部分的射線從小孔中射出來，形成一束極細的射線束。盧瑟福在射線束附近放了一塊很強的磁鐵，發現射線束分成了三種：一部分不收磁鐵影響，繼續直線行進；一種受磁鐵的影響偏向一側，但是角度不大；最后一種偏轉得很厲害。

盧瑟福將這三種射線分別命名為γ射線、α射線和β射線。僅僅一個實驗，27歲的盧瑟福就發現了這三種最基本、最重要的射線，這已經是許多科學家奮斗一生想要達到的成就。盧瑟福并沒有被成功沖昏腦袋，他繼續細致深入地研究這三種射線，尤其是α射線——盧瑟福對它特別感興趣，最終他指出，α射線是帶正電的粒子流，這些粒子是氦原子的離子，即去除了兩個電子的氦原子。它的穿透能力很弱，只要一張紙就可以完全遮擋住。

實驗室中的盧瑟福（維基百科）

時間很快邁進了20世紀，盧瑟福已經成為了曼切斯頓大學德高望重的物理系主任，并于1908年獲得了諾貝爾化學獎（盧瑟福本人對此也非常意外，他還風趣地說：“我竟然搖身一變，變成一位化學家了。”），后來就一直專門研究α粒子。1910年，兩位名叫蓋革（Geiger）和馬斯登（Sir Ernest Marsden）的學生拜入了盧瑟福門下，盧瑟福交給他們一個課題，讓他們用α粒子去轟擊金箔，利用熒光屏來記錄那些穿過了金箔的α粒子。這種金箔非常薄，按照過去的經驗來看，α粒子可以輕而易舉地穿過金箔。按照湯姆遜葡萄干蛋糕模型的說法，金原子是一種均勻的正電物質，中間鑲嵌著極小的電子。這些電子實在是太小了，所以它們對α粒子的作用不大，α粒子可以直直地通過，最多只能被輕微地改變一點方向。

α粒子穿過葡萄干蛋糕模型時的示意圖（維基百科）

蓋革和馬斯登重復著這個實驗，令人驚詫的事情卻發生了：他們記錄到了被金箔反彈回來的α粒子！晚年的盧瑟福曾經在一次演講中回憶這件事：“我記得兩三天后，蓋革非常激動地來到我這里，說：‘我們得到了一些反射回來的α粒子……’，這是我一生中最不可思議的事。這就像你對著一張薄紙射出一顆15英寸的炮彈，但卻被反彈回來的炮彈擊中一樣不可思議。”

在深思熟慮之后，盧瑟福大量地重復了金箔轟擊實驗，并仔細地測量了反彈回來的α粒子的總數。統計顯示，每射出八千個α粒子，就有一個會被反彈回來。盧瑟福認為，只有假設原子內的所有正電荷都集中在原子中央一個很小的核里，α粒子在撞擊到這個正電核時，才會發生大角度的散射。

最后，盧瑟福大膽地提出了全新的原子結構模型：原子就像一個太陽系，帶正電的原子核就像太陽，而帶負電的電子就像是繞著太陽轉的行星。盧瑟福說：“如果原子的絕大部分質量沒有集中在一個極小的核中，那就不可能得到我們的那些實驗結果。”這個理論推翻了盧瑟福恩師湯姆遜的葡萄干蛋糕模型，真正“撞開”了原子結構的大門，為原子時代的來臨和發展立下了不朽的功勛。

α粒子穿越盧瑟福模型時的示意圖（維基百科）

 

本作品為“科普中國-科技創新里程碑”原創 轉載時務請注明出處

 

撞開原子世界的大門

圖文簡介

原子太小了，以至于人類永遠沒有辦法真正看見它們，但是，無數科學家在這個問題上前仆后繼著。