人們?yōu)榱诉M一步弄清原子內部的結構，就必須設法深入到原子里面去，對原子中的各種奇異現(xiàn)象進行探索。當時物理學家們在發(fā)現(xiàn)電子和其它放射性粒子的基礎上，找到了用α粒子去轟擊各種物質的試驗方法，最后終于知道了原子中的電子和正電荷部分的分布情況，對原子內部的結構有了更深的理解。所有這一切應歸功于湯姆遜教授最優(yōu)秀的學生新西蘭人歐內斯特·盧瑟福。正是他通過α粒子散射實驗，比較滿意地解決了原子內部的結構問題。
早在1895年，盧瑟福已經是湯姆遜的得力助手。他們一起從事 X射線通過氣體所產生的效應的研究工作。盧瑟福從中得到了很好的鍛煉，為他以后攀登科學高峰打下了扎實的基礎。1898年，經他老師的推薦，盧瑟福有機會去加拿大主持一項有意義的物理研究工作。在他受聘任職期間，對鈾鹽和釷鹽所放射的“射氣”進行了廣泛而又深入的研究。
從實驗結果分析中，盧瑟福已經意識到這些“射氣”與原物質的原子不同，是一種新的化學元素的原子。它和各種化學試劑不發(fā)生任何作用，故是一種惰性氣體(即氡氣)，由此盧瑟福提出了第一篇有意義的實驗報告。他指出，從釷鹽緩慢衰變中所放射出的“射氣”，使釷永遠在不斷地失去某些東西。而剩下的釷仍具有發(fā)射“射氣”的特性，并未察覺有絲毫減弱。
在此同時，盧瑟福也對居里夫婦發(fā)現(xiàn)的鐳所放出的射線進行了大量研究。1906年，盧瑟福等人從研究中弄清了α粒子的性質。他們通過用電磁場偏轉α粒子，證明它帶有兩倍于電子電荷的正電荷。如果電子的電荷用符號“－”改示，那末α粒子所帶的電荷就是“++”。另外α粒子的質量要比電子重得多，事實上，α粒子的質量約等于氦原子質量，或四倍氫原子質量，是電子質量的七干三百多倍。但是α粒子能夠穿透物質，而氦原子是辦不到的，故α粒子的半徑要比氦原子小得多。還有，α粒子所帶的能量也很大，約等于6百萬電子伏特，且約以十二分之一光速的速率行進。
盧瑟福在完整地研究了α粒子的基本特性后，就著手利用它去揭開原子內部的秘密。他大膽的設想，能否用α粒子打入原子內部，像“偵察兵”那樣，到原子內部的微觀世界里實地偵察一番。由于α粒子本身是一種帶有正電荷的粒子，那末它在穿過原子時，和原子內部的正電荷部分能產生什么樣的相互作用？原子中的正電荷部分到底是怎樣分布的？盧瑟福就這樣著手進行了一系列的α粒子散射實驗。
當時，盧瑟福的實驗裝置是比較簡單的。他利用英國曼徹斯特大學所僅有的20毫克純溴化鐳，加上從維也納奧地利科學院借來的350毫克鐳鹽組成α粒子發(fā)射源。同他一起進行α粒子散射研究的還有他的優(yōu)秀助手德國物理學家漢斯·蓋革博士。他們的實驗裝置如圖所示。
從圖上可以看出，鉛盒B中的鐳所發(fā)射的α粒子束經過狹縫準直后，形成一窄束α射線，轟擊在一片非常薄的金箔靶F上。經散射后的α粒子束被可以圍繞靶子F轉動的熒光屏S記錄下來。而每次撞擊所發(fā)出的閃光可通過顯微鏡M進行觀察。
盧瑟福他們就這樣進行了許多次α粒子散射實驗。最后，盧瑟福在他著名的論文《α和β粒子的放射與原子結構》中，對實驗結果作了詳細而又明確的解釋。
盧瑟福發(fā)現(xiàn)，當用一連串α粒子轟擊金屬箔(如金箔)時，那些川流不息的α粒子束中的大部分粒子都毫無阻礙地通過了金屬箔，仍沿著原來行進的方向向前移動，這和其他物理學審所得的實驗結果沒有什么區(qū)別。如用他老師湯姆遜的原子模型來解釋，說明在金屬原子中質量很小的電子是無法阻擋質量比它大七千多倍的α粒子通過的。這就好像電子被α粒子擠在一旁，騰出通道好讓α粒子穿過。即使原子中帶正電的主體部分，似乎也并不堅硬，擋不住α粒子的去路。這只能說明，原子中的絕大部分必然是空隙。假如金屬原子是實心的或基本上是實心的，那么即使是最薄的金屬箔也會擋住大部分α粒子或使它們中的大多數(shù)改變方向。
除此以外，盧瑟福的獨到之處是他仔細觀察了那些局部的特殊現(xiàn)象。他在實驗中發(fā)現(xiàn)有一小部分α粒子穿過金箔時，好象撞到了什么東西似的，稍微偏轉了方向，與粒子束原來的行進方向形成一個小角度，且仍能從金箔中掙脫出來。
還有特別奇怪的是有個別α粒子，好像直接撞到了什么堅硬的東西而被偏離了一個很大的角度，更為驚奇的是盧瑟福還找到了直接向后反彈回來的α粒子，即在進入金屬箔的同一端，出現(xiàn)了與行進方向相反的α粒子，這種現(xiàn)象是非常少見的。
盧瑟福緊緊抓住這些奇怪的現(xiàn)象，反復思考原子中到底會有什么東西能把α粒子反彈回來呢？因為這簡直是不可思議的現(xiàn)象。后來他曾經寫道：“在我的生命過程中，那是一件發(fā)生在我身上的、最難以置信的事。這就象你發(fā)射了一顆直徑為15英寸的炮彈，它打向一張薄薄的衛(wèi)生紙時，卻被那張紙彈了回來，而后打到你一樣幾乎不可相信。”
但是，科學實驗的正確結果總是能反映客觀實際的。盧瑟福的α粒子散射實驗的結果，有力地否定了他老師湯姆遜的原子模型，同時也證明了原子內部一定存在著集中在一起的正電荷部分。根據庫侖定律，作用在電荷上的力與電荷的電量大小成正比，與電荷間的距離平方成反比。由此可看出，只有當α粒子非常接近對它發(fā)生作用的“正電荷”時，才能獲得足夠大的靜電斥力，使其偏轉很大的角度或甚至直接被反彈回來。
當然，這種集中的電荷決不可能是電子，因為電子的質量比α粒子要小七千多倍。這樣，如果電子和α粒子相撞，就好象是一輛重約一噸的飛速行駛的汽車與一塊擺在馬路上的重為一百多克的小石子相撞一樣。結果石子被拋得很遠，而汽車的運動不會有什么變化。所以，α粒子大角度偏轉的原因決不可能是與電子碰撞引起的。相反，只有原子內部集中的正電荷部分(原子質量的絕大部分也集中于此)與α粒子相互作用時，才能使α粒子改變運動方向，甚至于把α粒子向相反方向彈回去。
另外，根據實驗結果可以推知原子中帶正電荷部分的質量和大小。顯然它的質量至少與α粒子一樣大或者更大。而它的尺寸一定很小，因為實驗中α粒子很少碰到它，大多數(shù)α粒子只是一掠而過。
直到1911年，盧瑟福才正式把自己的實驗結果公諸于世。并提出了自己對原子結構的論述。他認為原有的西瓜原子模型是錯誤的。因為從α粒子散射實驗結果可以說明，原子中的正電荷部分決不可能均布在原子球體內。事實上，原子的全部質量差不多都集中在中心一個體積很小的帶正荷的“核”上。通過對大角散射(大于90°)的α粒子的測量，可計算出“核”的大概尺寸和環(huán)繞核心原子所占的空間大小(即原子直徑)。
計算結果表明，原子核直徑只占原子直徑的萬分之一左右，而原子內部的廣大空間是由帶負電荷的電子所填滿。由于電子遠比原子小，故原子內絕大部分是空著的。這就是盧瑟福所提出的“有核原子模型”。
我們根據有核原子模型理論，不僅能解釋場姆遜原子模型所能解釋的各種物理現(xiàn)象，而且還能說明其它物理現(xiàn)象。例如，對原子核為什么能穿透物質的解釋。由于原子核是通過某種方法把原子中的電子全部除去后形成的，這樣核的尺寸就比原子小得多。所以原子核就能容易地穿過物質。例如，α粒子就是失去兩個電子的氦原子，即是氦核，故它能很容易地穿過金箔。另外，由于電子所占的質量很小，因此原子核的質量和原子的質量基本上是一樣的。
我們還知道，湯姆遜原子模型對放射性的存在也是無法解釋的。因為在放射性元素放射的射線中存在α射線，它是帶有兩個單位正電荷的粒子。這顯然是和湯姆遜原子模型認為正電荷均布在原子內部的說法相矛盾的。而盧瑟福的有核原子模型就能容易地解釋這一現(xiàn)象。即α射線是從放射性元素的原子核中發(fā)射出來的，原來的原子就衰變成一種新原子。
雖然，盧瑟福的有核原子模型理論在當時物理學界未能引起什么轟動，但他的核模型至今仍被人們所公認。基于他對原子核物理學的發(fā)展所作的卓越貢獻，他獲得了1908年諾貝爾化學獎。同時，這位天才橫溢的物理學家不僅繼承了他老師的科學事業(yè)，而且還承擔了他老師的各種職位，其中包括在1925年擔任英國皇家學會會長的職位。
而正當盧瑟福充滿活力地繼續(xù)為人類科學事業(yè)作出更大貢獻時，卻在1937年10月突然因病與世長辭了，享年六十六歲。他的老師湯姆遜卻是在1940年8月30日以八十四歲的高齡去世的。湯姆遜火化后和盧瑟福一起被葬在威斯敏斯特公墓的中央部分，如此密切的師生關系在科學史上確實少有，值得人們永遠懷念。
責編：微科普