四、发现原子核的存在

1907 年 5 月 24 日，卢瑟福一家到达英国。

卢瑟福在其光辉的科学生涯中，曾经不止一次地避开研究课题中的某些次要方面，而把主要精力贯注于最重要的方面，这是他的一种超人的才干。来到曼彻斯特后，他把α粒子作为主要的研究课题。

当时很多科学家认为原子里所包含的全都是电子，但是卢瑟福认为，自然界从来就不像人们想象的那么简单，电子是这样轻，只相当于已知的最轻原子——氢原子重量的 1/1800，而且它总是带一个负电荷，很明显，在原子内部一定存在着某些别的东西。

早在 1903 年以前，拉姆齐和索迪就提出，可以从镭的样品中出现氦原子

——而这种去掉电子后的氦原子正是卢瑟福长期以来一直试图鉴别的神秘的α粒子。

在年青的助手汉斯·盖革的协助下，卢瑟福设计出一种用来计算由镭放射出的α粒子的方法。根据这种方法，他们制成了计数器，用来探测放射性粒子。这种计数器后来被称为盖革计数器。

他们很快地又把这种方法应用于各种不同的放射性物质，人们第一次在实验室里观察到单个的原子。计算一下进入计数器内的α粒子数，就可能算出α粒子带电的总数。卢瑟福不久就宣布，α粒子的电荷数是氢离子电荷数的两倍。通过实验，他也证实了过去一直被人怀疑的说法——α粒子就是带电的氢原子。

尽管卢瑟福已经取得了如此辉煌的成就，他的经济状况仍然没有获得彻底的改善，这与他紧张忘我的工作是不协调的。由于他全力以赴地埋头于工作中，他的夫人和女儿很难得见他一面。他感到欣慰的是他有一位理解他的夫人和一个可爱的女儿。

卢瑟福在放射现象的研究中所取得的成就得到了公认，它揭开了物理学史上新的一页。也使卢瑟福达到了科学家们都希望达到的最显要的地位。1908 年 11 月，卢瑟福和他的妻子应邀前往斯德哥尔摩，接受瑞典国王颁发的诺贝尔奖金。作为世界上最伟大的物理学家，他对接受化学奖金感到有点惊讶。

这是因为他在物理学上的伟大成绩显然同化学有密切的联系。接受奖金后，卢瑟福发表了演说，他讲到，在他一生中，曾经历过各种不同的变化，但最快的变化要算这一次了——他竟从物理学家一下子变成了化学家。

获得荣誉是他引以为荣的，至少 7000 英镑奖金使他一直操心的经济困难得到了圆满的解决。

到了 1908 年，在卢瑟福的周围聚集起一批当时兰开夏最杰出的青年学生和研究助手。他已将自己正常的事务工作安排就绪了，他可以把更多的时间用在实验室里指导他的学生和助手。他定时讲课，并经常到其他大学和实验室参观访问。

他决定解决现存的问题之一——原子核问题。他已经证实，电子是原子外壳的一部分，α粒子一定存在于原子内部的某处。他开始把原子想象为微型太阳系，原子核好比太阳，是它的中心，电子就像是行星，围绕着原子核运转。

他认为只有采用打碎原子核的方法才能获得关于原子核的更为详尽的知识。1911 年，卢瑟福完成了闻名的α粒子散射实验。

人们对于原子模型曾作过各种各样的猜测。汤姆生提出：球形的原子内部均匀地分布着正电荷，带负电的电子夹杂其中。这个原子模型在科学史上被称为“西瓜模型”，因为它很像一个切开的西瓜。按照西瓜模型，如果用α粒子轰击原子，α粒子会很轻易地穿过这个原子，而不致于发生α粒子的散射现象，然而当卢瑟福以高能量的α粒子流来轰击金属箔时，发现了一种奇妙的现象。

他用α粒子来射击原子，发现了α粒子的散射现象：当用α粒子射向一片极薄的金属箔时，大多数α粒子穿过金箔依然沿直线前进，而另外一些α 粒子却偏离方向，少数则反射回来，而反射回来的速度几乎或完全与射出时的速度相等。这种偏离现象称为α粒子的散射。那些少数的不依原来的入射方向前进的α粒子，正如一个弹球打在一块硬石上，弹球被反弹回来或被弹到别处。由于α粒子的质量要比电子的约大 8000 倍，因此，电子是不可能将α粒子弹回的。卢瑟福作了在各种金属薄膜下α粒子流的散射实验，计数了在不同方向上散射的粒子数，通过实验、观察与计算，卢瑟福得出结论：在原子的核心，包含着一个带有正电荷的硬核。大量带电的电子就围绕着这个硬核旋转。原子越重，正电荷就越大；而正电荷越大，电子数就越多。

就在这一年，他出版了这一理论的著作，并正式提出了原子的核模型。这种理论使原子的面目豁然清晰起来，从而奠定了原子核物理学的基础。

原子具有核结构这一物理学思想，对于当时的物理学家和化学家震动很大。曾经在曼彻斯特工作的物理学家玻尔，在 1930 年回忆这段科学生涯时

说：“对于每一个像我这样有幸在 20 多年前访问过剑桥和曼彻斯特实验室，并且在一些伟大的物理学家的启示下工作过的人，几乎每天都亲眼看到前人所不知道的自然界事物被揭露，这是一种永远难忘的经历。我记得，1912 年春天，在卢瑟福的学生中展开的、对于原子核的发现所展示的整个物理学和化学前景的讨论的热情，犹如发生在昨天那样。”

曼彻斯特的实验室已经无法容纳聚集在卢瑟福周围的所有学生和其他研究人员了，于是实验室作了相当大的扩建。在卢瑟福的实验室工作的很多青年以后成了著名的科学家、诺贝尔奖金获得者，如玻尔、查得威克、莫斯利等。在卢瑟福原子核模型的基础上，玻尔不久提出了更为详细的原子结构学

说。到 1904 年第一次世界大战爆发前，曼彻斯特大学，尤其是卢瑟福所负责的物理实验室，已成为世界科学的中心了。海森堡称卢瑟福是“近代原子物理学的真正奠基者”。