第二章學生科學試驗製作與發明啟迪4
4.α散射實驗的啟迪
原子，作為物質組成的一種主要微粒，在科學技術高度發達的今天，已不再是鮮為人知的外來詞。就連其複雜的內部結構，也不是深不可測的未知世界。“原子是由原子核及核外繞核高速運動的電子組成的”，這是眾所周知的原子核式結構理論。然而，這一理論的形成絕非某些人的主觀臆想，它的形成經曆了其自身的發展階段，凝聚了科學家們的智慧與心血。厄內斯特·盧瑟福在確鑿的實驗基礎上提出了這一原子核式結構理論。
打開原子世界的大門
早在19世紀初，科學家們就通過對一係列物理和化學現象的研究，已初步認識到：原子隻是在化學反應中保持元素性質不變的最小微粒，而不是在物理結構上不可再分的最小微粒，原子可能有自身的內部結構。那麼，原子的構造究竟是怎樣的呢?
原子的尺寸太小了，人們還不可能用肉眼對它的內部結構進行直接的觀察。人們能夠直接捕捉到的一些原子信息，隻是一些宏觀現象，比如原子光譜、元素周期變化的性質、各種電子現象、天然放射現象等等。在這種情況下，人們要探測原子的內部結構，就需要靠人們依據一定事實的想像，用模型化的方法來探索它。
所謂模型化的方法，就是通過對人們構想出來的某種模型的研究來達到對模型所模擬事物原型的認識的一種研究方法。這種方法是人們在探索未知領域過程中的一種重要手段。模型可以是一種定性的描述，例如利用某種實物或圖像，因而具有直觀性、形象化的特征；模型也可以作定量的處理，例如，建立某種數學模型，從而深刻揭示出被模擬對象的某些內在的本質聯係。模型可以在科學事實和科學理論之間起到橋梁作用。運用模型化的方法不僅可以解釋已知現象，而且可以在模型的基礎上，建立起新的科學理論，從而預言更多的未知現象。
科學家們在企圖打開原子世界的大門，對神秘的原子世界進行探索的時候，正是利用了原子模型這一有利的科學工具。
最早在實驗科學的基礎上提出原子有內部結構概念的科學家是安培，他認為，化學元素的原子是由更細小的亞原子粒子組成的。他為了解釋磁現象，還曾提出過有關分子環電流的假設。在以後的幾十年裏，科學家們對原子的結構紛紛提出自己的設想。德國科學家費希納於1828年從安培的觀點中得到啟發，設想每個物體是由一些類似太陽係一樣，尺寸很小的原子組成，每一個“太陽”原子都伴隨著一些較小的“行星”原子，像天體一樣由萬有引力聯係起來。
後來，韋伯於1874～1875年間，又在費希納模型的基礎上作了進一步的改進。他認為重的“太陽”原子和幾乎沒有重量的“行星”原子都是帶電的，因此維係它們的力是電力。但他認為中心的重粒子帶負電，圍繞它旋轉的輕粒子帶正電。以上所說的這些模型的最大困難在於，這些組成原子的微粒都是一些假想出來的物質，沒有任何實驗根據。直到19世紀末，電子和天然放射現象被發現後，原子模型的構想才開始建立在經過實驗發現的粒子的基礎上。
正當德國物理學界沉浸於熱輻射問題研究的時候，其他國家的大多數科學家都在19世紀末物理學三大發現的鼓舞下，不僅掀起了一股研究各種射線的熱潮，而且也為揭示原子結構的奧秘重新設想了各種各樣的模型。
開爾芬在1867年曾經提出過“渦旋原子”的模型，他在當時科學實驗所提供的信息的基礎上設想出，原子可能不是一個密不可分的顆粒，而是由一些做渦旋運動的更小微粒組成的。後來，他在1901年，又提出了一種新的原子模型，認為原子是由帶正電的均勻球體所組成，帶負電的電子以獨立的形式分布在原子球體內。這些電子在原子內能自由地運動，並受到一個指向原子中心的電力作用。原子球內，正負電荷相同，因此對外表現為中性。當電子離開原子時，可能會以超過光速的速度飛出，這時物體就是放射性的。開爾芬的這個原子模型是有一定的合理成分的。當年居裏夫婦從事放射性研究時，主要的依據就是這個原子模型，顯然，這種模型是非常成功的。但是，它畢竟還不是一個完美的理想模型，它的成功還具有一定的局限性。利用這種模型，不能解釋原子光譜和元素性質的周期性，它也沒有對原子的穩定性給予完備的說明，所以，根據曆史的發展規律，它必將被新的更科學、更合理的原子模型所取代。
J·J·湯姆遜是第一個用實驗的方法證明電子存在的人，他早就認為原子理論中，最關鍵的問題是對門捷列夫元素周期律的解釋。在1897年，他發現電子的時候就暗示了束縛在原子中的電子，可能提供了元素周期律，換句話說，元素的周期性可能是由元素的原子中的電子決定的。他的這個預見性的想法，現在已被證實了是何等的正確!
他在設想原子模型的時候，受到了邁耶爾關於磁懸浮體實驗的啟發，邁耶爾將一些磁針插在木塞裏，然後將它們放在一碗水中，這些磁針在碗上方中央一塊磁鐵所形成的中心磁場的作用下，會形成整齊的穩定排列。湯姆遜把這個實驗與電子在原子正電球內的排列聯係起來。於是，他著重考慮了漂浮在正電球中的電子數目和它們的排列順序。為了維持原子的穩定性，他設想電子可能是按一定順序排列的。經過一定的計算後，他認為當電子數少於4個，至少兩個時，這些電子有規則地排列在與中心保持等距離的位置上；然而，當它們的數目超過4個時，它們就要分布在一些同心圓環或同心球殼上，這些環或殼上的電子數呈周期性排列，電子在自己的平衡位置附近振動。
J·J·湯姆遜的這個模型有一點像西方人吃的那種夾了葡萄幹的麵包，又像是一隻紅瓤黑子的西瓜，所以曆史上被人們稱之為“葡萄幹麵包”模型或西瓜模型。這個模型的成功之處在於它保持了原子的穩定性並解釋了元素的周期性。這個模型在當時眾多的關於原子的描述中是最科學、最成功的模型，而且長時間地占據主導地位。但是，它在解釋光譜現象和放射性時遇到了很大困難。
就在湯姆遜構思“葡萄幹麵包”模型的時候，在地球另一側日本東京大學的科學家長岡半太郎提出了另一種原子模型。
他認為原子是由許多電子圍繞一個帶正電的重核旋轉的體係，就像土星和它的圓環一樣。由於這些電子在各自的圓環上振動而發光，在不同圓環上的電子會產生不同的振動方式，具有各自不同的固定振動頻率，所以就形成了分立的線光譜。但這樣必須假設每個原子都要有許多電子繞核旋轉，這就無法對元素的周期性給予解釋。他還根據天文學上關於土星環運動穩定性的研究，得出了他的模型中環的運動方程。但他所提出的模型，遠不如“葡萄幹麵包”模型影響大。
在以上所談到的眾多的原子模型中，我們看到了每種模型都有自己的成功之處，但每種模型又都有自己的局限性，它們中還沒有一種模型能解釋所有的原子所表現出的性質。所以，人們還需要不斷地去探索，去尋找那個合理而又科學的原子結構。英國物理學家厄內斯特·盧瑟福，一生為此付出了大量心血，做了大量的科學實驗，最後終於發現了確鑿的理論根據，建立了迄今為止最科學、最合理的原子核式結構模型。
盧瑟福與他的時代
盧瑟福的祖籍是蘇格蘭，祖上世代為農民兼手工業者，後來遷移到新西蘭。厄內斯特·盧瑟福出生在與他終生結下不解之緣的卡文迪許實驗室成立並動工建築的同一年，即1871年。勤勞、奮鬥和實幹的家庭，使他從小就懂得從實際出發，通過自己的腦和手進行創造性的勞動，才是人生價值的真諦。
盧瑟福童年時生活在一個多子女的大家庭裏，賢慧而有教養的母親把教師之心和母愛傾注在對12個孩子的撫養上，她教育孩子們要兄弟姊妹友愛互助，讓他們朗讀書籍，相互傾聽、啟發和糾正。有時，她像教師那樣把地圖掛到牆上，向孩子們講解國內外地理和時事新聞。她有一架鋼琴，而且彈得很好，優雅的琴聲，孩子們的歌聲，使盧瑟福經常陶醉於家庭之愛和音樂的享受中。喜歡音樂和朗讀後來成了盧瑟福的愛好。但是，天有不測風雲，在他13歲時，他的兩個弟弟在佩洛魯斯海峽的一次翻船事故中被淹死，他的父親在岸邊尋找屍體長達幾個月之久。從此，家中再也聽不到母親的琴聲，母親長期處於悲痛之中，盧瑟福因此受到很大的刺激，他暗下決心，一定要發奮努力，為家族爭光，以分擔父母的悲傷和家庭的負擔。
盧瑟福在學生時代，以數學好著稱。但是，把他首先引向科學研究領域的卻是實驗家畢克頓教授。畢克頓教授在為他寫的1851年大英博覽會獎學金證書中寫道：“從一開始，他就對實驗科學展示出不凡的素質，並且在研究工作中表現出高度的創造性和能力……”並進一步介紹盧瑟福的品德說：“就個人而言，盧瑟福先生有著如此敦厚的性情和那麼願意幫助其他同學克服他們的困難，也熱愛所有曾經同他接觸過的人。”
盧瑟福在壩特伯雷學習的4年中，曾多次獲得獎勵，同時獲得了幾個學位，並參加了一些學術組織，在各項活動中都表現出積極、主動熱情的品格，並任過負責人。在學習期間，為了貼補費用，他曾在中學任過短期代課教師，也做過家庭教師。在大學一年級的年末，他寄住在女房東賴因齊·牛頓家裏，她是一個有4個女兒的寡婦，後來盧瑟福與她的長女瑪麗·牛頓相愛，並私定終身。盧瑟福是一個對父母、對師長、對朋友和愛人感情始終專注、忠誠的人，他一旦與瑪麗·牛頓有了感情，便忠貞不渝，從未對別的女人產生這樣的感情。1895年，大英博覽會獎學金考試，盧瑟福終於被錄取。為了科學上錦繡前程的生涯，他不得不與未婚妻告別，去到當時著名的科研中心——英國劍橋大學三一學院的卡文迪許實驗室做研究生。從此，盧瑟福正式走上了神聖的科學研究道路，就是在這條艱苦而又偉大的道路上，他以α射線為武器，成功地打開了原子的大門，建立了原子核式結構理論，寫下了科學史上不朽的篇章。
X射線並不是核現象，但它卻是導致核現象的起因，所以在我們了解α射線之前，我們的故事從X射線的發現講起。
一提起X射線，我們馬上會聯想到醫院裏的X光室。在那裏，醫生可以為你透視肺部，看看肺裏有沒有病；手腳骨折了，醫生也要叫你先拍一張X光片，看看骨頭壞了沒有，傷在何處，然後再進行治療。X射線除了能診斷疾病之外，在工業、科學研究等領域也發揮了重要的作用。但這X射線在19世紀初還沒有一個人認識它。
在19世紀末，許多物理學家在實驗室中進行模擬雷電研究時，發現了陰極射線這種物質，當時世界各國的各大實驗室都在致力於研究這種射線。在這個世界範圍內研究陰極射線的熱潮中，德國維爾茨堡大學的校長倫琴也對這個問題發生了興趣。倫琴是位治學嚴謹、造詣很深的實驗物理學家。1895年11月8日傍晚，倫琴在自己的實驗室裏操作著陰極射線管，他先把陰極射線管用墨黑的厚紙包嚴，不讓一絲光線進入，實驗室裏漆黑一片，他打開開關。突然，不超過1米遠的小桌上有一塊亞鉑氰化鋇做成的熒光屏上一閃一閃地發出光來，細心的倫琴沒有忽略這一奇異的現象，他想把熒光屏移遠一點繼續試驗，當他拿起熒光屏的時候，不由得毛骨悚然：一個完整的手骨的影子出現在熒光屏上，嚇得他渾身冒出了冷汗。當時他還不相信自己的眼睛，這究竟是在做實驗還是中了邪魔，當他定神之後，手骨的影子也消失了。倫琴決定反複試驗。於是他打開了燈，再仔細檢查一下陰極射線管是否包裹好，當一切準備妥當，他又重複做了剛才的實驗。啊!奇妙的光線又出現了，手骨影子又出現在熒光屏上，再一次試驗成功，說明所發生的現象並非出於偶然，而是確確實實的實驗事實。倫琴認識到這光線肯定不是陰極射線，因為陰極射線射程短，現在這射線能穿透過玻璃、黑紙、手，說不定是一種人類未認識的新射線。他越想越興奮，越想要探索這新射線究竟是什麼。