如何从通俗地理解「原子核」的结构，它是如何被发现的？ 第1页

说到原子，很多人脑中都会回忆起高中学过的化学知识：带正电的质子和不带电的中子黏在一起，形成一个紧凑的原子核，而带负电的电子则围绕着原子核在特定轨道上运动。

这个半经典的模型虽然简单，但却抓住了原子最重要的的几个特征。不过在历史上，为了总结出这样一个看似简单的模型，我们可是费了不少功夫。

1、发现原子

原子这个词可以追溯到上千年以前，代表“不可分割”的意思。但人们清楚的认识到原子的存在却是近两百年左右的事情。

18世纪末19世纪初，人们开始从杂乱的化学反应中总结出一些规律。其中最为重要的莫过于道尔顿的倍比定律，即参与化学反应的元素总是成整数比例。这一发现确认了原子的存在，表明原子是化学反应的最小单元，无法被任何化学反应摧毁。

随着越来越多的元素被发现，在1869年，化学键门捷列夫意识到，随着元素质量的增加，其化学性质似乎呈现周期性变化。基于这些发现，他提出了大名鼎鼎的元素周期表。表上的很多元素在当时甚至还未被发现，而门捷列夫却通过周期性十分准确的预测了这些元素的基本性质。不过这时候人们依然坚信原子不可分割，还没办法解释出现周期性的原因。

2、发现电子

直到1897年，汤姆森做了一个著名的实验，他在部分抽真空的管子两端加上了很高的电压，然后观察到了一种射线从阴极上发出。通过磁场偏转实验他发现这种射线带负电荷，并且电荷/质量比极大。这种粒子也就是我们熟知的电子（阴极射线其实早就被观察到了，但由于它带电，在空气中的射程很短，一直没搞清楚它是什么）。

电子的发现对原子不可分割的理论提出了挑战。由于原子整体不带电，电子带负电，那么剩余部分肯定就带正电，汤姆森据此提出了原子的枣糕模型，认为电子均匀的镶嵌在带正电的物质中:

3、发现原子核

枣糕模型是个短命的模型，不久之后，卢瑟福用氦离子轰击金箔，发现大部分氦直接穿透了金箔，同时有极少部分的氦被大角度散射甚至反射了回来。卢瑟福因此断定，原子内的正电荷并不是均匀分布的 ，而是集中在一个非常小的范围内，这样才能让大部分氦透过去。而电子则围绕着原子核运动。这也就是我们所熟知的原子核：

卢瑟福还观察到了元素衰变的指数衰减规律，并发现衰变放出的能量比化学反应高了许多个量级。卢瑟福断定，放射反应不是化学变化，应该是原子核内部的变化。也就是说，原子核内部应该还有其他结构。

4、发现质子和中子

再后来，卢瑟福继续将氦离子加速并轰击其他元素，然后发现这个过程产生了氢元素。这个过程产生了新的元素，完全违背了化学反应的元素守恒规律，同时也证明氢核——即质子——是原子核的基本组成单元。

质子的发现也带来一个问题：大部分原子的质量都比其中的质子加电子重很多。此外，差不多在质子被确认的同时，1920年，同位素也被发现了，即同样质子数的原子却具有不同的质量。卢瑟福猜测原子内可能还有一种不带电的中性粒子，并把这种粒子称为中子。

后卢瑟福投入了很多精力去寻找中子的存在，但一直没有找到证据，其中子假说也一直不被认可。直到1930年，德国的几个物理学家用高能氦撞击锂/铍/硼后，观测到了一直极具穿透性的不带电射线，他们认为这是伽马射线（光子）。

卢瑟福和他的学生查德威克不相信这种射线是光子，1932年查德威克重复了这个实验，通过和氢的碰撞散射行为，发现这种未知射线的质量和质子相当，确定它就是卢瑟福预测的中子。到这里，原子的几个基本组成，以及经典的电子+质子+中子结构模型才算是被建立起来了。

卢瑟福的研究可以说打开了原子核内世界的大门，因此他也被称为核物理之父。