自从1789年法国化学家拉瓦锡（Lavoisier）定义了原子一词后，人类一直在努力探索它结构的秘密。所有人都在好奇着，这种单一的粒子是怎么组成了世间万物？原子实在是太小了，以至于人类永远没有办法真正看见它们，但是，无数科学家在这个问题上前仆后继着，用各种精巧的实验作为支撑，不断揭开了神秘原子的面纱。而其中最突出的，莫过于英国物理学家欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）。

21岁的卢瑟福（维基百科）

1895年，在新西兰老家农场挖着土豆的卢瑟福收到了英国剑桥大学寄来的录取通知书，恭贺他成为了剑桥大学物理系卡文迪许实验室的奖学金生。卢瑟福扔掉挖土豆的锄头喊：“这是我挖的最后一个土豆啦！”卡文迪许实验室是近代科学史上非常有名的物理实验室。就这样，24岁的卢瑟福成为了这所伟大实验室的第一名海外学生，进入卡文迪许实验室后便成为了实验室主任约瑟夫·约翰·汤姆逊（J. J. Thomson）的学生。

汤姆逊是谁呢？他是后来1906年的诺贝尔物理学奖获得者、世界上第一个发现电子的人。自从原子理论被创立后，在很长的一段时间内，人们都认为原子就是一个小的不能再小的玻璃实心球，里头再也没什么花样了。卢瑟福刚刚进入卡文迪许实验室的时候，汤姆逊正在研究阴极射线的本质。在过去的二十多年间，科学家们一直对此争论不休。1897年，汤姆逊设计了一个巧妙的实验：他将一块涂有硫化锌的小玻璃片，放在阴极射线所经过的路途上。硫化锌能够用发光的形式显示出阴极射线的轨迹，在一般情况下，阴极射线是呈直线行进的，但如果在射击先关的外面加上电场，阴极射线就会发生偏折。通过对阴极射线偏折角度的计算，汤姆逊很快得出结论：这些射线是带有负电的物质粒子。后来，汤姆逊还成功地测量出了这种粒子的质量，发现它比氢原子的质量要小得多，大约只是氢原子的二千分之一。

汤姆逊的阴极射线实验（维基百科）

这样一来，原子的神秘面纱总算被轻轻撩起了一些了。过去人们一般都认为原子是“不可分割”的，汤姆逊的实验指出，原子其实是由许多部分组成的，这标志着原子时代的开始。

汤姆逊很快又深入了对原子结构的研究。在一般情况下，原子是不带电的。既然原子内部存在着带有负电的电子，那就意味着，它内部还有一些带正电的物质与之相衡，令整个原子呈中性。根据这个思路，汤姆逊提出了一个“葡萄干蛋糕”模型来解释原子的结构。他认为，原子含有一个均匀的带正电的电球，若干个带负电的电子镶嵌在其中。正电球是蛋糕，负电子就是里头的葡萄干。这个模型不仅能解释为什么原子是中性的，还解释了原子的分布情况，而且根据这个模型还能估算出原子的大小，这是一个极为了不起的成就。因此，这个模型很快被当时的物理学家们接受了。

1898年，在汤姆逊的指导下，卢瑟福做了他在卡文迪许实验室的第一个独立实验。在这个巧妙的实验中，他首次发现天然射线是由好几种不同的射线构成的。首先，他将铀、镭等具有放射性的元素放在一个铅制的容器里，在容器上只开一个小孔。由于铅能够阻挡射线，所以只有一小部分的射线从小孔中射出来，形成一束极细的射线束。卢瑟福在射线束附近放了一块很强的磁铁，发现射线束分成了三种：一部分不收磁铁影响，继续直线行进；一种受磁铁的影响偏向一侧，但是角度不大；最后一种偏转得很厉害。

卢瑟福将这三种射线分别命名为γ射线、α射线和β射线。仅仅一个实验，27岁的卢瑟福就发现了这三种最基本、最重要的射线，这已经是许多科学家奋斗一生想要达到的成就。卢瑟福并没有被成功冲昏脑袋，他继续细致深入地研究这三种射线，尤其是α射线——卢瑟福对它特别感兴趣，最终他指出，α射线是带正电的粒子流，这些粒子是氦原子的离子，即去除了两个电子的氦原子。它的穿透能力很弱，只要一张纸就可以完全遮挡住。

实验室中的卢瑟福（维基百科）

时间很快迈进了20世纪，卢瑟福已经成为了曼切斯顿大学德高望重的物理系主任，并于1908年获得了诺贝尔化学奖（卢瑟福本人对此也非常意外，他还风趣地说：“我竟然摇身一变，变成一位化学家了。”），后来就一直专门研究α粒子。1910年，两位名叫盖革（Geiger）和马斯登（Sir Ernest Marsden）的学生拜入了卢瑟福门下，卢瑟福交给他们一个课题，让他们用α粒子去轰击金箔，利用荧光屏来记录那些穿过了金箔的α粒子。这种金箔非常薄，按照过去的经验来看，α粒子可以轻而易举地穿过金箔。按照汤姆逊葡萄干蛋糕模型的说法，金原子是一种均匀的正电物质，中间镶嵌着极小的电子。这些电子实在是太小了，所以它们对α粒子的作用不大，α粒子可以直直地通过，最多只能被轻微地改变一点方向。

α粒子穿过葡萄干蛋糕模型时的示意图（维基百科）

盖革和马斯登重复着这个实验，令人惊诧的事情却发生了：他们记录到了被金箔反弹回来的α粒子！晚年的卢瑟福曾经在一次演讲中回忆这件事：“我记得两三天后，盖革非常激动地来到我这里，说：‘我们得到了一些反射回来的α粒子……’，这是我一生中最不可思议的事。这就像你对着一张薄纸射出一颗15英寸的炮弹，但却被反弹回来的炮弹击中一样不可思议。”

在深思熟虑之后，卢瑟福大量地重复了金箔轰击实验，并仔细地测量了反弹回来的α粒子的总数。统计显示，每射出八千个α粒子，就有一个会被反弹回来。卢瑟福认为，只有假设原子内的所有正电荷都集中在原子中央一个很小的核里，α粒子在撞击到这个正电核时，才会发生大角度的散射。

最后，卢瑟福大胆地提出了全新的原子结构模型：原子就像一个太阳系，带正电的原子核就像太阳，而带负电的电子就像是绕着太阳转的行星。卢瑟福说：“如果原子的绝大部分质量没有集中在一个极小的核中，那就不可能得到我们的那些实验结果。”这个理论推翻了卢瑟福恩师汤姆逊的葡萄干蛋糕模型，真正“撞开”了原子结构的大门，为原子时代的来临和发展立下了不朽的功勋。

α粒子穿越卢瑟福模型时的示意图（维基百科）

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