α散射实验

原子，作为物质组成的一种主要微粒，在科学技术高度发达的今天，已不再是鲜为人知的外来词。就连其复杂的内部结构，也不是深不可测的未知世界。“原子是由原子核及核外绕核高速运动的电子组成的”，这是众所周知的原子核式结构理论。然而，这一理论的形成绝非某些人的主观臆想，它的形成经历了其自身的发展阶段，凝聚了科学家们的智慧与心血。厄内斯特·卢瑟福在确凿的实验基础上提出了这一原子核式结构理论。

打开原子世界的大门

早在19世纪初，科学家们就通过对一系列物理和化学现象的研究，已初步认识到：原子只是在化学反应中保持元素性质不变的最小微粒，而不是在物理结构上不可再分的最小微粒，原子可能有自身的内部结构。那么，原子的构造究竟是怎样的呢？

原子的尺寸太小了，人们还不可能用肉眼对它的内部结构进行直接的观察。人们能够直接捕捉到的一些原子信息，只是一些宏观现象，比如原子光谱、元素周期变化的性质、各种电子现象、天然放射现象等等。在这种情况下，人们要探测原子的内部结构，就需要靠人们依据一定事实的想像，用模型化的方法来探索它。

所谓模型化的方法，就是通过对人们构想出来的某种模型的研究来达到对模型所模拟事物原型的认识的一种研究方法。这种方法是人们在探索未知领域过程中的一种重要手段。模型可以是一种定性的描述，例如利用某种实物或图像，因而具有直观性、形象化的特征；模型也可以作定量的处理，例如，建立某种数学模型，从而深刻揭示出被模拟对象的某些内在的本质联系。模型可以在科学事实和科学理论之间起到桥梁作用。运用模型化的方法不仅可以解释已知现象，而且可以在模型的基础上，建立起新的科学理论，从而预言更多的未知现象。

科学家们在企图打开原子世界的大门，对神秘的原子世界进行探索的时候，正是利用了原子模型这一有利的科学工具。

最早在实验科学的基础上提出原子有内部结构概念的科学家是安培，他认为，化学元素的原子是由更细小的亚原子粒子组成的。他为了解释磁现象，还曾提出过有关分子环电流的假设。在以后的几十年里，科学家们对原子的结构纷纷提出自己的设想。德国科学家费希纳于1828年从安培的观点中得到启发，设想每个物体是由一些类似太阳系一样，尺寸很小的原子组成，每一个“太阳”原子都伴随着一些较小的“行星”原子，像天体一样由万有引力联系起来。

后来，韦伯于1874～1875年间，又在费希纳模型的基础上作了进一步的改进。他认为重的“太阳”原子和几乎没有重量的“行星”原子都是带电的，因此维系它们的力是电力。但他认为中心的重粒子带负电，围绕它旋转的轻粒子带正电。以上所说的这些模型的最大困难在于，这些组成原子的微粒都是一些假想出来的物质，没有任何实验根据。直到19世纪末，电子和天然放射现象被发现后，原子模型的构想才开始建立在经过实验发现的粒子的基础上。

正当德国物理学界沉浸于热辐射问题研究的时候，其他国家的大多数科学家都在19世纪末物理学三大发现的鼓舞下，不仅掀起了一股研究各种射线的热潮，而且也为揭示原子结构的奥秘重新设想了各种各样的模型。

开尔芬在1867年曾经提出过“涡旋原子”的模型，他在当时科学实验所提供的信息的基础上设想出，原子可能不是一个密不可分的颗粒，而是由一些做涡旋运动的更小微粒组成的。后来，他在1901年，又提出了一种新的原子模型，认为原子是由带正电的均匀球体所组成，带负电的电子以独立的形式分布在原子球体内。这些电子在原子内能自由地运动，并受到一个指向原子中心的电力作用。原子球内，正负电荷相同，因此对外表现为中性。当电子离开原子时，可能会以超过光速的速度飞出，这时物体就是放射性的。开尔芬的这个原子模型是有一定的合理成分的。当年居里夫妇从事放射性研究时，主要的依据就是这个原子模型，显然，这种模型是非常成功的。但是，它毕竟还不是一个完美的理想模型，它的成功还具有一定的局限性。利用这种模型，不能解释原子光谱和元素性质的周期性，它也没有对原子的稳定性给予完备的说明，所以，根据历史的发展规律，它必将被新的更科学、更合理的原子模型所取代。

J·J·汤姆逊是第一个用实验的方法证明电子存在的人，他早就认为原子理论中，最关键的问题是对门捷列夫元素周期律的解释。在1897年，他发现电子的时候就暗示了束缚在原子中的电子，可能提供了元素周期律，换句话说，元素的周期性可能是由元素的原子中的电子决定的。他的这个预见性的想法，现在已被证实了是何等的正确！

他在设想原子模型的时候，受到了迈耶尔关于磁悬浮体实验的启发，迈耶尔将一些磁针插在木塞里，然后将它们放在一碗水中，这些磁针在碗上方中央一块磁铁所形成的中心磁场的作用下，会形成整齐的稳定排列。汤姆逊把这个实验与电子在原子正电球内的排列联系起来。于是，他着重考虑了漂浮在正电球中的电子数目和它们的排列顺序。为了维持原子的稳定性，他设想电子可能是按一定顺序排列的。经过一定的计算后，他认为当电子数少于4个，至少两个时，这些电子有规则地排列在与中心保持等距离的位置上；然而，当它们的数目超过4个时，它们就要分布在一些同心圆环或同心球壳上，这些环或壳上的电子数呈周期性排列，电子在自己的平衡位置附近振动。

J·J·汤姆逊的这个模型有一点像西方人吃的那种夹了葡萄干的面包，又像是一只红瓤黑子的西瓜，所以历史上被人们称之为“葡萄干面包”模型或西瓜模型。这个模型的成功之处在于它保持了原子的稳定性并解释了元素的周期性。这个模型在当时众多的关于原子的描述中是最科学、最成功的模型，而且长时间地占据主导地位。但是，它在解释光谱现象和放射性时遇到了很大困难。

就在汤姆逊构思“葡萄干面包”模型的时候，在地球另一侧日本东京大学的科学家长冈半太郎提出了另一种原子模型。

他认为原子是由许多电子围绕一个带正电的重核旋转的体系，就像土星和它的圆环一样。由于这些电子在各自的圆环上振动而发光，在不同圆环上的电子会产生不同的振动方式，具有各自不同的固定振动频率，所以就形成了分立的线光谱。但这样必须假设每个原子都要有许多电子绕核旋转，这就无法对元素的周期性给予解释。他还根据天文学上关于土星环运动稳定性的研究，得出了他的模型中环的运动方程。但他所提出的模型，远不如“葡萄干面包”模型影响大。

在以上所谈到的众多的原子模型中，我们看到了每种模型都有自己的成功之处，但每种模型又都有自己的局限性，它们中还没有一种模型能解释所有的原子所表现出的性质。所以，人们还需要不断地去探索，去寻找那个合理而又科学的原子结构。英国物理学家厄内斯特·卢瑟福，一生为此付出了大量心血，做了大量的科学实验，最后终于发现了确凿的理论根据，建立了迄今为止最科学、最合理的原子核式结构模型。

卢瑟福与他的时代

卢瑟福的祖籍是苏格兰，祖上世代为农民兼手工业者，后来迁移到新西兰。厄内斯特·卢瑟福出生在与他终生结下不解之缘的卡文迪许实验室成立并动工建筑的同一年，即1871年。勤劳、奋斗和实干的家庭，使他从小就懂得从实际出发，通过自己的脑和手进行创造性的劳动，才是人生价值的真谛。

卢瑟福童年时生活在一个多子女的大家庭里，贤慧而有教养的母亲把教师之心和母爱倾注在对12个孩子的抚养上，她教育孩子们要兄弟姊妹友爱互助，让他们朗读书籍，相互倾听、启发和纠正。有时，她像教师那样把地图挂到墙上，向孩子们讲解国内外地理和时事新闻。她有一架钢琴，而且弹得很好，优雅的琴声，孩子们的歌声，使卢瑟福经常陶醉于家庭之爱和音乐的享受中。喜欢音乐和朗读后来成了卢瑟福的爱好。但是，天有不测风云，在他13岁时，他的两个弟弟在佩洛鲁斯海峡的一次翻船事故中被淹死，他的父亲在岸边寻找尸体长达几个月之久。从此，家中再也听不到母亲的琴声，母亲长期处于悲痛之中，卢瑟福因此受到很大的刺激，他暗下决心，一定要发奋努力，为家族争光，以分担父母的悲伤和家庭的负担。

卢瑟福在学生时代，以数学好著称。但是，把他首先引向科学研究领域的却是实验家毕克顿教授。毕克顿教授在为他写的1851年大英博览会奖学金证书中写道：“从一开始，他就对实验科学展示出不凡的素质，并且在研究工作中表现出高度的创造性和能力……”并进一步介绍卢瑟福的品德说：“就个人而言，卢瑟福先生有着如此敦厚的性情和那么愿意帮助其他同学克服他们的困难，也热爱所有曾经同他接触过的人。”

卢瑟福在坝特伯雷学习的4年中，曾多次获得奖励，同时获得了几个学位，并参加了一些学术组织，在各项活动中都表现出积极、主动热情的品格，并任过负责人。在学习期间，为了贴补费用，他曾在中学任过短期代课教师，也做过家庭教师。在大学一年级的年末，他寄住在女房东赖因齐·牛顿家里，她是一个有4个女儿的寡妇，后来卢瑟福与她的长女玛丽·牛顿相爱，并私定终身。卢瑟福是一个对父母、对师长、对朋友和爱人感情始终专注、忠诚的人，他一旦与玛丽·牛顿有了感情，便忠贞不渝，从未对别的女人产生这样的感情。1895年，大英博览会奖学金考试，卢瑟福终于被录取。为了科学上锦绣前程的生涯，他不得不与未婚妻告别，去到当时著名的科研中心——英国剑桥大学三一学院的卡文迪许实验室做研究生。从此，卢瑟福正式走上了神圣的科学研究道路，就是在这条艰苦而又伟大的道路上，他以α射线为武器，成功地打开了原子的大门，建立了原子核式结构理论，写下了科学史上不朽的篇章。

X射线并不是核现象，但它却是导致核现象的起因，所以在我们了解α射线之前，我们的故事从X射线的发现讲起。

一提起X射线，我们马上会联想到医院里的X光室。在那里，医生可以为你透视肺部，看看肺里有没有病；手脚骨折了，医生也要叫你先拍一张X光片，看看骨头坏了没有，伤在何处，然后再进行治疗。X射线除了能诊断疾病之外，在工业、科学研究等领域也发挥了重要的作用。但这X射线在19世纪初还没有一个人认识它。

在19世纪末，许多物理学家在实验室中进行模拟雷电研究时，发现了阴极射线这种物质，当时世界各国的各大实验室都在致力于研究这种射线。在这个世界范围内研究阴极射线的热潮中，德国维尔茨堡大学的校长伦琴也对这个问题发生了兴趣。伦琴是位治学严谨、造诣很深的实验物理学家。1895年11月8日傍晚，伦琴在自己的实验室里操作着阴极射线管，他先把阴极射线管用墨黑的厚纸包严，不让一丝光线进入，实验室里漆黑一片，他打开开关。突然，不超过1米远的小桌上有一块亚铂氰化钡做成的荧光屏上一闪一闪地发出光来，细心的伦琴没有忽略这一奇异的现象，他想把荧光屏移远一点继续试验，当他拿起荧光屏的时候，不由得毛骨悚然：一个完整的手骨的影子出现在荧光屏上，吓得他浑身冒出了冷汗。当时他还不相信自己的眼睛，这究竟是在做实验还是中了邪魔，当他定神之后，手骨的影子也消失了。伦琴决定反复试验。于是他打开了灯，再仔细检查一下阴极射线管是否包裹好，当一切准备妥当，他又重复做了刚才的实验。啊！奇妙的光线又出现了，手骨影子又出现在荧光屏上，再一次试验成功，说明所发生的现象并非出于偶然，而是确确实实的实验事实。伦琴认识到这光线肯定不是阴极射线，因为阴极射线射程短，现在这射线能穿透过玻璃、黑纸、手，说不定是一种人类未认识的新射线。他越想越兴奋，越想要探索这新射线究竟是什么。

一连几天实验做下来，伦琴感到很累，他真想好好地休息休息，但强烈的探索欲望使他精神倍增，他又继续做起实验来了。他拿了好多东西，如木头、铁块、橡胶等一一放在阴极射线管和荧光屏之间，结果那种神奇的射线都把它们穿透了。后来他放上一块铅，又换了一块铂，终于挡住了这种射线。

伦琴的妻子一般不来实验室，但近一时期伦瑟好久没回家，为了弄清楚他究竟在干什么，她决定来探望他。一天夜里，她轻手轻脚地推开了实验室的大门，一看，自己的丈夫正伏在桌子上睡着了，她随手拿了件衣服给他披上，谁知这一披，惊醒了他，他马上站起来拉着妻子的手说：“来，给你做一个有趣的实验。”他把妻子的手放到一平台上，打开阴极射线管的电源开关，荧光屏上立即显示出一只手骨的图像，妻子惊奇万分，问：“是什么射线有那么大的魔力？”伦琴答道：“我也不知道，兴许是一种无名的射线吧！”这时妻子脱口说道：“还是个X！”伦琴听后，心头顿时一亮，连声说：“说得好，就叫它X射线吧！”从此这被伦琴发现的射线，就一直叫“X射线”，有时人们为了纪念它的发现者伦琴，也叫它“伦琴射线”。

X射线的发现轰动了整个世界，当时人们还仅仅把它当做一种游戏工具，后来医学家首先用它来帮助诊断病情，造福于全人类。不仅如此，更重要的是人们对X射线的研究，促使发现了天然放射线，揭开了微观物质世界的奥秘，从而打破了物理学的旧观念，激起了人们探索新事物的热情。

伦琴发现了X射线，并广泛应用到医疗诊断上，这件事大大激励了物理学家亨利·贝克勒尔，他是研究荧光和磷光的专家。他觉得X射线和荧光也许属于同一机理，都是从阴极对面的那一部分管壁发出的。于是，贝克勒尔想试试看，看看荧光物质发荧光的同时，会不会产生穿透力很强的X射线。

1896年2月的一天，贝克勒尔开始了他的实验。他取来一瓶荧光物质——黄绿色的硫酸双氧铀钾，这种物质在阳光的照射下会发出荧光，贝克勒尔想知道它们是否会同时发出X射线。他仿照伦琴检验X射线的方法，把一张底片用黑纸包得严严实实，再把一匙荧光粉倒在纸包上，然后拿到阳光下去晒一会儿。贝克勒尔将荧光粉再倒回到瓶里去，然后拿着一张底片的黑纸包进了暗房，冲洗后发觉底片感光了，它的上面是那匙荧光粉的几何影子。贝克勒尔知道，太阳光和荧光都不能穿透黑纸使底片感光。现在底片已经感光了，这说明荧光粉经太阳照射后确实能发出X射线。为了验证这个结果，贝克勒尔准备再做一次实验。可是天公不作美，从2月26日开始，连续几天阴雨。他只好扫兴地把荧光粉和用黑纸包得严严的照相底片一起放进写字台的抽屉里，等待天晴。关抽屉时他顺手把一串钥匙压在黑纸包上，边上就放着那瓶荧光物质。

3月1日天气放晴，贝克勒尔准备着手进行新的实验。细心的他在实验前特地抽出两张底片检查一下，看看是否会漏光。抽查的结果使贝克勒尔大为震惊：两张底片都已曝光，其中一张上还有那把钥匙的影子！这是怎么回事？底片是用黑纸包好后放在抽屉里的，又是连续几天阴雨，根本照不到太阳，那瓶荧光物质也不射出荧光，为什么底片会感光呢？

经过仔细的分析，贝克勒尔猜想，可能硫酸双氧铀钾本身会发出一种看不见的射线，这种射线也像X射线一样，能穿透黑纸使底片感光。在3月2日的科学院例会上，贝克勒尔激动地宣布了这个新发现，并声称原先他的推论是不合理的。其实，在日光照射后硫酸双氧铀钾射出的荧光中，并不含有X射线。贝克勒尔最初在阳光下做的实验，实际上也是放射性射线使底片感的光，只不过他误以为是X射线罢了。

3月2日例会后，贝克勒尔又精心设计了一系列实验。他对这种铀盐晶体进行加热、冷冻、研成粉末、溶解在酸里等物理或化学上的加工，他发现只要化合物里含有铀元素，就有这种神奇的贯穿辐射。贝克勒尔还用纯金属铀做试验，发现它所产生的放射性要比硫酸双氧铀钾强三四倍。他把这种放射线称为“铀射线”。在5月18日的科学院例会上，贝克勒尔宣布，铀或铀盐会自发放射出射线（铀射线）。这是一种新的由原子自身产生的射线，这种射线的强度并不因为加热、冷却、粉碎、溶解等物理或化学上的影响而发生变化，换句话说，这种射线非常“我行我素”，不管外界对它施加何种影响，它始终如一地发出射线。贝克勒尔的这一重大发现和伦琴发现的X射线一起，敲响了人类迎接原子时代来临的钟声。

伟大的物理学家卢瑟福，有幸处于这样一个激动人心的时代，他被时代的精神鼓舞着，时刻准备投入到这场轰轰烈烈的革命中，去发现更多的未知世界！

“新武器”的发现

α射线是卢瑟福用以揭开原子内部奥秘的主要的也是关键性的武器。α射线在卢瑟福的科研生涯中起到了不可低估的作用，与这一核物理学家结下了不解之缘。

α射线的发现是和放射性的发现紧密相联的。贝克勒尔通过照相底片的感光现象发现了铀能辐射射线，后来玛丽·居里用“放射性”这个词来描述这一现象，并通过繁重而艰巨的劳动，用巧妙的分析方法，又发现了钍、钋、镭等物体也具有放射性。尽管有新的放射性元素陆续被发现，并且开始了实际的应用，那么这些具有放射性的物质所放出的射线具有什么性质呢？

伟大的物理学家卢瑟福在剑桥度过的最后一段日子里，主要的工作是鉴别铀所放射的各种射线究竟是什么，他在此期间进行了一系列的光辉实验。在实验中，卢瑟福注意到铀辐射也会引起空气游离，为了区别X射线和铀辐射，他想办法比较它们在穿透能力上的差别。他用铝片对铀辐射的射线进行吸收，在实验过程中，他发现了轴的辐射是复杂的，在它的辐射中至少存在两种不同类型的辐射——一种很容易吸收，另一种穿透力很强。卢瑟福从希腊文的“alphabata”的头几个字母的读法，称之为“alpha”和“bata”射线，读作“阿尔法”和“贝塔”，记作α和β射线。

继卢瑟福发现了α和β射线后，1900年人们发现铀的辐射中还有一种成分，其穿透本领比β射线还要强得多，在磁场中不受磁场作用而偏转，这说明这种射线是不带电的，这种辐射成分后来叫做γ射线。

α射线的奥秘

卢瑟福在刚刚发现α、β射线的时候，就意识到α射线是一种很重要的射线，因为它很容易被物质吸收，当证明了β射线是高速的电子流后，卢瑟福便集中精力于搞清α射线的本质的研究上。为此，他做了大量的实验，其中关键性的实验有两个，一个是电磁偏转实验，另一个是光谱实验。

卢瑟福在进行了大量的准备工作之后，决定进行一个重要的实验，只有这个实验才能验证组成α射线的α粒子，以及组成β射线的β粒子的带电性如何。

那是1903年的某一天，卢瑟福当时的实验条件非常艰苦，根本没有什么闪烁荧屏可观察射线的轨迹，更没有什么读数器之类的高级计数仪，当时卢瑟福手里有的只是一只简易的金箔验电器。然而，实验就在这样艰苦的条件下进行着，他让放射性物质铀放出的α、β射线经过一个大磁场后，最后到达金箔验电器。在实验中，卢瑟福发现，β射线在经过磁场后，径迹出现偏转，也就是说β射线能被磁场偏斜，但却没有见到α射线的径迹变化。但是，从实验的其他现象卢瑟福基本上确定了α射线是由快速运动的带正电荷的粒子组成的。那么，为什么α射线经过磁场后，它的运动径迹没有发生偏斜呢？卢瑟福仔细地分析了所有的实验结果，最后他想到其原因可能有两种：一种情况是α射线是由不带电荷的α粒子组成，因为我们很清楚地知道，只有带电粒子在磁场中才能发生偏转，既然α射线经过磁场没有发生偏转，就说明它不带电荷；另一种可能是α射线是带电荷的，而且它的动能很大，磁场的能量不足以能使它发生偏转。有了这样清晰的思路，卢瑟福便有的放矢地进行下一步的工作了。

卢瑟福让射线从放射源由下向上经过20片平行隔板到达验电器，而氢气由上向下通过平行隔板。氢气的作用非常重要，它可以抑制β射线和γ射线的游离作用，然后加磁场使射线偏转，这时α射线经过磁场后偏斜量的百分比与所加磁场的强度成正比例。为了判断α射线所带电荷的正负，在隔板上加一块多缝的金属板，遮去空隙的一部分，改变磁场的方向，总可以找到一个位置，使游离截止于更低的磁场，由此来判断α射线的电荷的极性。再在相邻隔板上加电压，又可使游离停止，这样，可以得到α粒子的速度和荷质比。从实验结果的一些证据分析看，卢瑟福已初步推断出α粒子是氦（He）原子。

1906年，卢瑟福在蒙特利尔西山西北高地买了一块土地，这地方面向山涧湖泊，风景秀丽宜人，他准备在这里建造一所住房，以便长期在麦克吉尔从事他的研究工作。但是，一个新的具有很大吸引力的聘任职务使他无法平静下来。曼彻斯特大学物理教授舒斯特因病退休，辞去了兰沃尔西物理讲座教授职务，学校决定请卢瑟福接任。1907年5月17日，卢瑟福先生告别了工作9年的蒙特利尔，于20日抵达英国，在这里开始走上他的科学新旅程。

卢瑟福在麦克吉尔大学工作的几年中，曾对α射线作了大量研究。到了曼彻斯特，他同盖革和马斯登等人愉快地合作，他们自己动手制作计数器，计数器的制作成功给他的研究带来了很大的帮助，使他的实验能够进入到定量的研究阶段。在盖革和马斯登等人的帮助下，使得对α粒子的计数，电荷的本质研究取得了突破性的成果。他们用一系列的科学实验雄辩地证实了“α粒子在失去电荷后就是一个氦原子”。

从1903年开始，卢瑟福着手研究α射线的本质，直到1908年，伟大的实验物理大师从未停止过自己的研究工作，到了曼彻斯特，他在助手们的帮助下又开始了新的重要实验——光谱实验，他要进一步地用光谱分析的方法来确定α射线的成分。

他的实验装置主要是一个α射线管，管的玻璃壁极薄，只有0.01毫米厚，管径约1.27毫米，内封装有镭射气。镭射气能够发射α粒子，α粒子可以穿过玻璃壁而射气不能。α射线管外面套一层玻璃管收集α粒子。然后让系统放置两天，等α粒子收集足够多后，用水银把α粒子通过时形成的气体压缩到放电管中。果然，从放电管得到的光谱显示氦黄线。为了排除怀疑，卢瑟福把原来放镭气的管用氦气充满，在相同的条件下观察放电管的谱线，却找不到氦黄线。这就可以肯定，薄玻璃壁是漏不出氦原子的。这样，卢瑟福用可靠的实验事实证明了α粒子是带正电的氦原子。

通过实验，卢瑟福掌握了α粒子的本质、性质和作用。α射线是一种吸收率高、穿透力弱的粒子流，在磁场或电场中不会产生偏斜，卢瑟福称它为“未被一个磁场或电场产生出可鉴别的偏斜的射线”。形成射线的α粒子是以很大速度抛射的电荷物质，具有较高的能量，确切地说，α粒子是带电的氦原子。就是这样，经过繁重而艰巨的劳动，经过长年不懈的努力，卢瑟福对α射线的性质得到了全面而准确的了解，并确认α射线在放射性中所起的作用是非常重要的。于是，他选择了α射线这一关键性的武器来揭开原子的内在奥秘。

在多年的α粒子性质的探测实验中，卢瑟福不止一次地发现α射线被物质阻滞和散射的问题。在1904年～1905年的许多实验中，让α射线通过不同厚度的空气和金箔后，α射线的速度会渐渐地慢下来，并且在磁场中的偏斜的曲率半径不是变大而是变小了，而且他还发现了α射线通过空气的谱线较宽并缺乏明显界限。所有这些新出现的问题都不能不引起卢瑟福的思考，他准备做新的实验来解决这些问题。

几年来，卢瑟福和他的助手盖革一直在不停地做着一连串的关于α射线的实验。这次，他们用多层厚为0.0031毫米的铝箔作为α射线的靶，用α射线对它进行轰击，他们边轰击，边渐渐地增加铝箔的厚度，当加到12层时，α射线的速度为无铝箔时的速度V0的0.64倍，这时，α粒子的能量相当于原有能量的41%。他们继续实验，继续研究，结果又发现，当α粒子速度降至0.64V0时，α粒子便停止了使气体离子化，也就是说，α射线的速度为原始速度的0.64倍这个速度值是α射线使气体离子化的临界速度，也是α粒子能够打入原子的最低临界速度。

接着，卢瑟福对盖革说：“换一下靶子再试试看。”盖革按着他的指示，用云母将铝箔换下来，然后让射线通过云母，从测量结果他们发现，由于散射，α射线产生了谱带宽度，α射线从它们的径迹约偏斜2°。这就是他们在实验中发现的α射线的小角散射现象。他们断定：将有一些α射线通过大得多的角度偏斜是完全可能的。这样，卢瑟福和他的助手们不但发现了用云母作靶的α射线的小角散射现象，同时也认识到α粒子在临界速度以上时能打入原子内部，并能引起α射线的散射，散射的结果将引起原子内电场的反应。所以，我们可以通过散射的情况和原子内电场的反应来探索原子的内部结构。对，解决问题的思考就是这样！卢瑟福和他的助手们信心百倍地工作着，他们断定：较大的散射角完全可能存在，问题就在于能否测量到。

再创奇迹

促使卢瑟福进入α射线大角散射实验的直接原因是盖革在实验中发现了α射线的反常散射现象。

卢瑟福到曼彻斯特大学工作后，在盖革的帮助下，为了计数α粒子，一举研制成功了用盖革的名字命名的计数器，这是盖革与卢瑟福的首次成功的合作。盖革曾于1906年在德国埃朗根大学取得哲学博士学位，他的学位论文是关于气体导电方面的。不久，到曼彻斯特后，他与卢瑟福开始了很有成效的合作研究。由于开始时采用的计数器触发管和计数室的长度不合适，云母片和计数室中气体分子使α射线产生了散射现象，影响了计数工作。这使他们认识到散射现象的消除对研制计数器十分重要。这就使盖革在计数实验还没完成时，转向α射线的散射问题。

于是，盖革又开始了α射线的散射实验。在一次实验中，他发现用α粒子轰击某原子时，出现“径迹急转弯”，这是α射线反常散射的一个征兆。他还发现散射角在很大程度上取决于靶材料的原子量，散射角与材料的厚度和材料的原子量成正比例，与α粒子速度成反比。这样，卢瑟福和盖革决定采用原子量大的金再做散射实验。

19世纪末20世纪初，科学家们用于研究放射性的仪器大都很简陋，不外乎就是验电器、平行板电容器和手摇真空泵，像限静电计被认为是最高级的电测仪器。据说，当年金箔、悬丝和火漆就是实验室必备的基本器材。在记录方面，照相术起了很大作用，但是底片记录的是长时间的统计效果，不利于分析。到了1908年，开始发明了一种闪烁镜方法，用以观测α粒子。

这个闪烁镜实际上是一小块硫化锌屏幕，α粒子打到它上面，会发出微弱的闪光，实验者用显微镜对准硫化锌屏，一个一个地记数，再移动显微镜的位置，分别读取不同位置的闪烁数，就可以对α粒子的分布作出精确统计。闪烁计数法虽然是其他方法所不能比拟的，但是闪烁法要求观测者眼睛始终盯在闪光屏上，全神贯注，一个不漏地记数。在整个实验过程中都要守在暗室中，精神十分紧张。连续工作几个小时，就会头昏眼花，劳累不堪。就是在这样艰苦的条件下，卢瑟福和他的助手们，不顾自己的劳累辛苦，用闪烁读数的方法，靠一个一个计数，作出了发现原子核的伟大贡献。

盖革研究α粒子散射的实验本来是用铝箔放在α粒子的途中起散射作用的，后来发现金箔的效果更好，就促使他系统地研究起各种不同的物质对α射线的散射作用。

有一天，卢瑟福来到他们的实验室，了解他们工作的进展情况，盖革对卢瑟福说：“先生，马斯登已经来了一段时间了，是否应该派给他一些工作？”卢瑟福回答说：“我也正在想这个问题，这样吧，叫他做一个α粒子从金属表面直接反射的实验，去找碰回头的α粒子。我可以告诉你结论，不会有碰回来的α粒子的，应该很容易用实验证实。”

马斯登在盖革的帮助下，认真地进行观测。他们的装置非常简单，锥形玻璃管内充满镭射气作为α射线源，管口用云母片封好，α粒子可以由此穿出，硫化锌闪烁屏所放的位置只有α粒子经反射金属片时才能打到屏上，否则无法直接打到。出乎他们意料的是，当他们把反射金属片放在管口1厘米处，竟立即观察到了闪烁。这使盖革和马斯登非常兴奋，他们对卢瑟福说：“我们找到了碰回来的α粒子！”

这个结果使卢瑟福非常惊讶，因为按照当时一般所接受的汤姆逊模型，正电物质分布于整个原子中，对于能量相当高的α粒子而言是相当“松软”，因此不应当产生大角度的偏转。汤姆逊本人也作过估算，在他的模型中，一次的碰撞所能产生的偏转角的数量级仅约1°～2°度。实验的结果确实是绝大多数的α粒子仅偏转了1°～2°度，那么对大于90°的偏转，甚至碰回头的（偏转180°）的α粒子，又作何解释呢？当时一般所接受的解释是有些α粒子经过多次的碰撞，始终往一个方向上偏离，最后造成了大角度的偏离，这种概率是很小的，而在实验上测得大角度偏转的α粒子也很少，所以这种解释也大体被接受。但卢瑟福对这种解释很不放心，他让盖革和马斯登继续做精确的定量实验。

1909年3月的一天，盖革和马斯登把镭的衰变物沉淀在一小板上，让它放射的α射线经金箔反射到硫化锌荧光屏上。金箔对α粒子的阻止力相当于2毫米厚的空气时，有一半的入射α粒子被反射，当采用1平方厘米的铂箔作为反射物时，统计反射α粒子的数目，α源的发射总数可根据镭的衰变物的剂量折算。经过比较，他们得出结论，入射的α粒子中，每8000个有一个要反射回来。

当盖革和马斯登把这个数字报告给他们的老师时，伟大的实验物理学家卢瑟福先生感到非常惊讶。后来他提到这件事时说：“这是我一生中最不可思议的事件。这就像您对着卷烟纸射出一颗15英寸的炮弹，却被反弹回来一样不可思议。”但这毕竟是事实，千真万确的事实！不由得卢瑟福不去思考。

多次碰撞理论可以解释小角度散射或偶尔的大角度散射。但卢瑟福做了一下估算，对于盖革他们实验中金箔的厚度而言，每进来1035000个α粒子，大约会有一个α粒子被碰回来，而实验中测得的结果却大约为8000个中就有一个被碰回来，这就是说，α粒子大角度偏转的概率远大于汤姆逊模型所预测的。按照汤姆逊模型，无论是极轻的电子，还是均匀分布的正电荷，都不足以把α粒子反弹回去。卢瑟福为此苦思了很长时间，并深深感到α粒子的大角散射实验说明汤姆逊的原子模型是错误的，真正的原子需要有一个新的模型。

伟大理论的诞生

1910年，卢瑟福开始把散射实验事实与新的原子模型联系起来。他想到了被人忽视的土星模型，如果原子中的正电物质是集中在很小的区域内，那么对α粒子而言形成较“硬”的散射中心，也许能在一次的碰撞中使α粒子产生大角度的偏转。

于是，他设想了一个原子结构模型：原子中有一个体积很小、质量很大、对正电荷有很强偏转能力的核，核外则是一个很大的空间（相对于原子核直径），核的体积很小，但却几乎集中了原子的全部质量；电子很轻、很小，带负电，它们分布在原子核外的空间里结核运动，原子仿佛是一个小太阳系。

卢瑟福的这一伟大设想震惊了世界。

原子核就这样被发现了，起初人们并没有直接看到它，也没有直接测出核的直径，量出核的质量，判定核的电荷。只是靠了α粒子的撞击，从撞击的效果得到了核存在的信息。卢瑟福并没有停留在假想和猜测的水平上，他带领助手们一次又一次地进一步实验，从测量的数据可以准确地推算出核的直径，核的质量和核的电荷。

卢瑟福就是这样，用的是最简陋的设备和直观的方法，却获得了最宝贵的来自微观世界的重要知识。他的核式结构为原子物理学和核物理学的发展奠定了最重要的基础。