宇宙是什么

12. 原子的土星模型与卢瑟福实验

  古希腊的德谟克利特将构成万物“基础”的粒子称为“原子”，但是“原子”并不是基本粒子。其实，这并不是说德谟克利特的预言有偏差，只是认为原子“不可再分”并将其命名为“原子”的做法太着急了而已。

  电子和原子核的发现，意味着原子并非最终的基本粒子。那么，原子的内部结构是如何被“看见”的呢？

  19世纪末，研究者发现了原子内部存在带负电的电子。但是，原子整体是呈电中性的，因此原子内部应该存在带正电的部分。于是，研究者构建了两个关于原子内部结构的模型，它们分别为“西瓜模型”和“土星模型”。前者认为电子散布在原子内部，就像西瓜籽那样；后者则认为电子围绕带正电的粒子旋转，就像土星的卫星那样。

  20世纪初，英国物理学家卢瑟福为了研究原子的内部结构，设计并进行了一个著名的实验。实验的主要方法是用带正电的α粒子轰击金箔。卢瑟福预想的原子结构为“西瓜模型”，所以他认为α粒子会不受干扰地通过金箔。因为如果原子的结构是西瓜模型，那么其内部的正电荷是以低密度状态分布的，所以α粒子应该几乎不受其影响。

  实际情况是，绝大多数α粒子穿过了金箔，但并非所有α粒子都穿过了，有的α粒子偶尔会被弹回来。

图2-5 卢瑟福的α粒子散射实验

  面对这一结果，卢瑟福大为吃惊，感慨道：“射向纸巾的子弹竟然被弹了回来！”

  将α粒子弹回来的是电荷的斥力作用。原子内部应该存在带正电的东西，所以才将同样带正电的粒子弹了回来。另外，绝大多数粒子通过了金箔，这意味着原子内部带正电的东西的周围是很空荡的。

  像这样，研究者最终发现了原子的内部结构，即原子中央处存在带正电的原子核，带负电的电子则围绕原子核旋转运动。前文曾提到，原子核与电子之间的距离非常遥远。如果将原子核看作棒球，那么原子整体则相当于山手线一圈那么大。原子内部有如此大的空间，所以卢瑟福实验中绝大多数α粒子能顺利穿过金箔也是自然之情。