行星結(jié)構(gòu)原子模型|中性原子模型|實(shí)心帶電球原子模型|葡萄干蛋糕模型|土星模型|太陽系模型|玻爾模型　　

英國物理學(xué)家歐內(nèi)斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford，1871～1937）1895年來到英國卡文迪許實(shí)驗(yàn)室，跟隨湯姆遜學(xué)習(xí)，成為湯姆遜第一位來自海外的研究生。盧瑟福好學(xué)勤奮，在湯姆遜的指導(dǎo)下，盧瑟福在做他的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)——放射性吸收實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)了α射線。

盧瑟福設(shè)計(jì)的巧妙的實(shí)驗(yàn)，他把鈾、鐳等放射性元素放在一個(gè)鉛制的容器里，在鉛容器上只留一個(gè)小孔。由于鉛能擋住放射線，所以只有一小部分射線從小孔中射出來，成一束很窄的放射線。盧瑟福在放射線束附近放了一塊很強(qiáng)的磁鐵，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有一種射線不受磁鐵的影響，保持直線行進(jìn)。第二種射線受磁鐵的影響，偏向一邊，但偏轉(zhuǎn)得不厲害。第三種射線偏轉(zhuǎn)得很厲害。

盧瑟福在放射線的前進(jìn)方向放不同厚度的材料，觀察射線被吸收的情況。第一種射線不受磁場的影響，說明它是不帶電的，而且有很強(qiáng)的穿透力，一般的材料如紙、木片之類的東西都擋不住射線的前進(jìn)，只有比較厚的鉛板才可以把它完全擋住，稱為γ射線。第二種射線會受到磁場的影響而偏向一邊，從磁場的方向可判斷出這種射線是帶正電的，這種射線的穿透力很弱，只要用一張紙就可以完全擋住它。這就是盧瑟福發(fā)現(xiàn)的α射線。第三種射線由偏轉(zhuǎn)方向斷定是帶負(fù)電的，性質(zhì)同快速運(yùn)動的電子一樣，稱為β射線。盧瑟福對他自己發(fā)現(xiàn)的α射線特別感興趣。他經(jīng)過深入細(xì)致的研究后指出，α射線是帶正電的粒子流，這些粒子是氦原子的離子，即少掉兩個(gè)電子的氦原子。

“計(jì)數(shù)管”是來自德國的學(xué)生漢斯·蓋革（Hans Geiger，1882-1945)）發(fā)明的，可用來測量肉眼看不見的帶電微粒。當(dāng)帶電微粒穿過計(jì)數(shù)管時(shí)，計(jì)數(shù)管就發(fā)出一個(gè)電訊號，

　　將這個(gè)電訊號連到報(bào)警器上，儀器就會發(fā)出“咔嚓”一響，指示燈也會亮一下?？床灰娒恢纳渚€就可以用非常簡單的儀器記錄測量了。人們把這個(gè)儀器稱為蓋革計(jì)數(shù)管。藉助于蓋革計(jì)數(shù)管，盧瑟福所領(lǐng)導(dǎo)的曼徹斯特實(shí)驗(yàn)室對α粒子性質(zhì)的研究得到了迅速的發(fā)展。

1910年馬斯登（E.Marsden，1889-1970）來到曼徹斯特大學(xué)，盧瑟福讓他用α粒子去轟擊金箔，做練習(xí)實(shí)驗(yàn)，利用熒光屏記錄那些穿過金箔的α粒子。按照湯姆遜的葡萄干蛋糕模型，質(zhì)量微小的電子分布在均勻的帶正電的物質(zhì)中，

而α粒子是失去兩個(gè)電子的氮原子，它的質(zhì)量要比電子大幾千倍。當(dāng)這樣一顆重型炮彈轟擊原子時(shí)，小小的電子是抵擋不住的。而金原子中的正物質(zhì)均勻分布在整個(gè)原子體積中，也不可能抵擋住α粒子的轟擊。也就是說，α粒子將很容易地穿過金箔，即使受到一點(diǎn)阻擋的話，也僅僅是α粒子穿過金箔后稍微改變一下前進(jìn)的方向而已。這類實(shí)驗(yàn)，盧瑟福和蓋革已經(jīng)做過多次，他們的觀測結(jié)果和湯姆遜的葡萄干蛋糕模型符合得很好。α粒子受金原子的影響稍微改變了方向，它的散射角度極小。

馬斯登（左圖）和蓋革又重復(fù)著這個(gè)已經(jīng)做過多次的實(shí)驗(yàn)，奇跡出現(xiàn)了!他們不僅觀察到了散射的α粒子，而且觀察到了被金箔反射回來的α粒子。在盧瑟福晚年的一次演講中曾描述過當(dāng)時(shí)的情景，他說：“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件。這就像你對著卷煙紙射出一顆15英寸的炮彈，卻被反射回來的炮彈擊中一樣地不可思議。經(jīng)過思考之后，我認(rèn)識到這種反向散射只能是單次碰撞的結(jié)果。經(jīng)過計(jì)算我看到，如果不考慮原子質(zhì)量絕大部分都集中在一個(gè)很小的核中，那是不可能得到這個(gè)數(shù)量級的。”

盧瑟福所說的“經(jīng)過思考以后”，不是思考一天、二天，而是思考了整整一、二年的時(shí)間。在做了大量的實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算和深思熟慮后，他才大膽地提出了有核原子模型，推翻了他的老師湯姆遜的實(shí)心帶電球原子模型。

盧瑟福檢驗(yàn)了在他學(xué)生的實(shí)驗(yàn)中反射回來的確是α粒子后，又仔細(xì)地測量了反射回來的α粒子的總數(shù)。測量表明，在他們的實(shí)驗(yàn)條件下，每入射八千個(gè)α粒子就有一個(gè)α粒子被反射回來。用湯姆遜的實(shí)心帶電球原子模型和帶電粒子的散射理論只能解釋α粒子的小角散射，但對大角度散射無法解釋。多次散射可以得到大角度的散射，但計(jì)算結(jié)果表明，多次散射的幾率極其微小，和上述八千個(gè)α粒子就有一個(gè)反射回來的觀察結(jié)果相差太遠(yuǎn)。

湯姆遜原子模型不能解釋α粒子散射，盧瑟福經(jīng)過仔細(xì)的計(jì)算和比較，發(fā)現(xiàn)只有假設(shè)正電荷都集中在一個(gè)很小的區(qū)域內(nèi)，α粒子穿過單個(gè)原子時(shí)，才有可能發(fā)生大角度的散射。也就是說，原子的正電荷必須集中在原子中心的一個(gè)很小的核內(nèi)。在這個(gè)假設(shè)的基礎(chǔ)上，盧瑟福進(jìn)一步計(jì)算了α散射時(shí)的一些規(guī)律，并且作了一些推論。這些推論很快就被蓋革和馬斯登的一系列漂亮的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。

盧瑟福提出的原子模型像一個(gè)太陽系，帶正電的原子核像太陽，帶負(fù)電的電子像繞著太陽轉(zhuǎn)的行星。在這個(gè)“太陽系”，支配它們之間的作用力是電磁相互作用力。他解釋說，原子中帶正電的物質(zhì)集中在一個(gè)很小的核心上，而且原子質(zhì)量的絕大部分也集中在這個(gè)很小的核心上。當(dāng)α粒子正對著原子核心射來時(shí)，就有可能被反彈回去（左圖）。這就圓滿地解釋了α粒子的大角度散射。盧瑟福發(fā)表了一篇著名的論文《物質(zhì)對α和β粒子的散射及原理結(jié)構(gòu)》。

盧瑟福的理論開拓了研究原子結(jié)構(gòu)的新途徑，為原子科學(xué)的發(fā)展立下了不朽的功勛。然而，在當(dāng)時(shí)很長的一段時(shí)間內(nèi)，盧瑟福的理論遭到物理學(xué)家們的冷遇。盧瑟福原子模型存在的致命弱點(diǎn)是正負(fù)電荷之間的電場力無法滿足穩(wěn)定性的要求，即無法解釋電子是如何穩(wěn)定地待在核外。1904年長崗半太郎提出的土星模型就是因?yàn)闊o法克服穩(wěn)定性的困難而未獲成功。

因此，當(dāng)盧瑟福又提出有核原子模型時(shí)，很多科學(xué)家都把它看作是一種猜想，或者是形形色色的模型中的一種而已，而忽視了盧瑟福提出模型所依據(jù)的堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

盧瑟福具有非凡的洞察力，因而常常能夠抓住本質(zhì)作出科學(xué)的預(yù)見。同時(shí)，他又有十分嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，他從實(shí)驗(yàn)事實(shí)出發(fā)作出應(yīng)該作出的結(jié)論。盧瑟福認(rèn)為自己提出的模型還很不完善，有待進(jìn)一步的研究和發(fā)展。他在論文的一開頭就聲明：“在現(xiàn)階段，不必考慮所提原子的穩(wěn)定性，因?yàn)轱@然這將取決于原子的細(xì)微結(jié)構(gòu)和帶電組成部分的運(yùn)動?！碑?dāng)年他在給朋友的信中也說：“希望在一、二年內(nèi)能對原子構(gòu)造說出一些更明確的見解。”