第八章第六节原子核及中子、质子的发现
卢瑟福发现两种射线
有“核子科学之父”尊称的卢瑟福，终生从事原子结构和放射性的研究。
古代哲学家认为，原子是不可分割的最小物质单元，后来人们又得悉原子内有电子存在
。但是，电子在原子内属于何等地位，原子内部情形如何，一直到19世纪末，原子学说对此
始终无法解答，更不能证明是否有单个原子存在。卢瑟福迈出了决定性的一步。
1899年，卢瑟福发现了镭的两种辐射。
第一种辐射，不能贯穿比1/50毫米更厚的铝片，但能产生显著的电效应。
第二种辐射，能贯穿约半毫米厚的铝片，然后强度减少一半，并且能穿过包装纸使照相底
片感光。卢瑟福把前者命名为α射线，后者命名为β射线。卢瑟福的这些发现以及后来在测
定α射线的性质等方面的工作，大大地推进了贝克勒耳开始的关于放射性的研究。
证实原子核的存在
1911年，卢瑟福完成了闻名的α粒子散射实验，证实了原子核的存在，建立了原子的核模型
。
人们对原子模型曾作过各种各样的猜测。卢瑟福老师汤姆生提出：球形的原子内部均匀地分
布着阳电荷，带阴电的电子夹杂其中。这个原子模型在科学史上被称为“西瓜模型”，因为
它像一个西瓜：整个西瓜分布着阳电荷，而瓜子带阴电荷，所以对整个“西瓜”——原子—
—而言显现中性。
按照“西瓜模型”，如果用α粒子轰击原子，α粒子会较容易地穿过这个原子，而不至于发
生α粒子的散射现象。然而，卢瑟福和他的学生们做了多次实验，表明汤姆生的结论不符合
事实。
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：大多数α粒子穿过
金属箔后依然沿直线前进，但有少数α粒子偏离了原来的运行方向，还有个别的α粒子被射
回来，即和原来的放射方向恰好相反。这种偏离现象称为α粒子的散射。那些少数的不
依原来的放射方向前进的α粒子的行为，好比一个弹球打在一块硬石上，弹球被反射回来或
被弹到别处一样。
卢瑟福做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、观察和计算，一副崭新的原子图就出现在他的面前：原子具有很小的、坚硬的、很
重的并且带正电的中心核。卢瑟福把这个核称之为“原子核”。卢瑟福假定，环绕着核的大
量电子是在电磁引力作用下旋转的。看起来，它多少类似于环绕着太阳运转，并以万有引力
维系着运行轨道的行星系。因此，后来有人把卢瑟福的原子模型称为“小太阳系”。
原子具有核的结构这一物理学思想，对于当时的物理学家和化学家都是一个巨大的震动。核
模型的建立对原子物理学的发展起了重大使用。虽然今天对原子结构已有更精确的认识，但
人们还经常用这种模型作为原子结构的直观的粗线图，也就是我们在各种杂志、报纸、宣传
画上常常可以看到的作为科学技术象征的原子图像。因此，科学家们称卢瑟福是“近代原
子物理学的真正奠基者”。
自从发现放射性物质以后，人们总是考虑以人工的方法，使自然界中一些元素的原子核转变
为另一元素的原子核。第一个实现这种思想的正是卢瑟福。他在1919年用实验表明了这一点
。
卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，会从它里面打出一粒碎屑，这粒碎屑在涂着硫化锌的荧光屏
上发出闪光。后来，科学家们又成功地把这种“星球相撞事件”拍摄成了立体照片。
发现质子和预言中子
卢瑟福考虑到电子是原子里带负电的粒子，而原子是中性的，那么原子核必然是由带正
电的粒子组成的。这粒子的特征是怎样的呢？他又想到氢原子是最轻的原子，那么氢原子核
也许就是组成一切原子核的更小微粒，它带1个单位正电荷，质量是1个氧单位。卢瑟福把它
叫做“质子”。这就是卢瑟福的质子假说。1919年，卢瑟福本人用速度是20 000公里／秒的
“子弹” ——α粒子去轰击氮、氟、钾等元素的原子核，结果都发现有一种微粒产生，电
量是1，质量是1，这样的微粒正是质子，这就证明了卢瑟福自己的质子假说是正确的。
卢瑟福考虑到原子核如果完全由质子组成，那么某种元素的原子核所带的正电荷，在数值上
一定等于那种元素的原子量，因为元素的原子量，主要是由原子核决定的，核外电子的质量
是微不足道的。但是事实并不是这样，元素的原子量总是比它的核所带的正电荷数大一倍或
一倍以上，这说明原子核里除了质子之外，必然还有一种质量和质子相仿，但却不带电的粒
子存在。所以在1920年，他提出了中子假说：原子核里存在一种“中子”微粒，它不带电，
质量是一个氧单位。
查德威克发现中子
尽管卢瑟福预言了中子的存在，但是，直到12年以后的1932年，英国物理学家查德威克才在
卡文迪许实验室里发现了中子。这时卢瑟福已接替卡文迪许实验室退休的汤姆生的职务。
查德威克1891年出生在英国柴郡，曼彻斯特维多利亚大学毕业。他在中学时代并未显示出过
人天赋。他沉默寡言，成绩平平，但坚持自己的信条：会做则必须做对，一丝不苟；不会做
又没弄懂，绝不下笔。因此他有时不能按期完成物理作业。而正是他这种不慕虚荣，实事求
是，“驽马十驾，功在不舍”的精神，使他在科学研究事业中受益匪浅。
进入大学的查德威克，迅即由于基础知识的扎实而在物理研究方面展示了超群才华。他被著
名科学家卢瑟福看中，毕业后留在曼彻斯特大学物理实验室，在卢瑟福指导下从事放射性研
究。两年后，由于他的实验目标“α射线穿过金属箔时发生偏离”的成功实现，他获英国国
家奖学金。
中子的发现要追溯到德国和法国物理学家们的研究工作。
1930年，德国物理学家博特和贝克尔利用钋发射的α粒子去轰击铍、硼和其他轻元素时，他
们用尖端式盖革计数管(一种对γ射线灵敏的探测器)，探测到了有一种穿透力异常大的射线
发生。法国物理学家约里奥·居里夫妇，利用一个强得多的钋源，进一步研究了受到
α粒子射击后的铍的辐射现象。他们把铍发射出来的射线解释为“γ射线”，把从含氢物质
中打出的质子解释成“γ射线”在氢核上的“散射”。由于他们没有足够地重视理论，这就
使他们错过了完成一项重大发现的机会。他们误认为是“γ射线”的，正是人们长期寻找的
中子流，并不是γ射线。他们走到了“中子”的门口，而没有发现它。
1932年，在海峡对岸的查德威克，对此进行了反复实验，每次他都得到了相同的结果。他进
一步发现这些射线像γ射线和X射线一样不会被磁场偏折，可见是中性的。然而，这种射线
的运动速度却与之大不相同，只为光速的1/10，比起几乎以光速前进的γ射线来说，简直太
慢了。
查德威克继续研究这些射线，发现当这种射线被笔直地引向氮气时，偶尔会以极大的力量打
进氮原子。如果是γ射线，则没有这种现象发生。查德威克对这种新射线进行了多次试验和
能量测定，发现在不同情况下，新射线的能量也不同。他想，这种新射线显然与γ射线不相
同，它是由粒子组成的。为了确定粒子的大小，他用这种粒子轰击硼，并从新产生的原子核
所增加的质量，来计算加到硼中去的这种粒子的质量，结果算出新粒子的质量与质子大致相
等。查德威克在卢瑟福的领导下，长期从事寻找中子的研究，理论思维帮助了他从现象中抓
到本质，终于悟出：这种新射线正是长期寻找的中子流。这样，他惊人地发现了人们预言的
中子。
这是科学预言的又一个胜利。
至此，人们在探索原子秘密的道路上，又前进了一大步。所以，中子的发现被誉为原子科学
发展史上的第二个重大发现(第一个重大发现是放射性现象的发现)。
在中子发现的启示下，前苏联的伊凡宁柯和德国的海森堡，先后提出了原子核是由质子和中
子组成的模型(质子和中子统称为核子)，使长期存在的原子核结构问题得到了初步解决。