核能史话-原子的结构
公元前五世纪，希腊哲学家提出物质是由不可分的微粒（叫原子）组成。
在1803年，英国科学家道尔顿根据古代希腊哲学家的原子论提出了原子学说。按照这个学说，原子是坚实的、不可再分的实心小球。
道尔顿(1766—1844年)的化学原子论确立之后，尽管关于原子的实在性还有激烈的争论，但对大多数科学家来说还相信它存在，并把它视为组成一切物质的不可再分的基元。十九世纪末和二十世纪初，有很多重要发现，摧毁了关于原子不可分的信念，说明了原子可能有复杂的结构。
1、揭开原子秘密的新起点
现代生活中，人们对“电”这个名称并不陌生。一切现代工业、农业和科学技术都离不开电，它已经成为人们最常用的能源。然而，对电的本质和特性的了解，还是在1897年发现“电子”以后才得以实现的。
早在十八世纪时，人们就从电性质的研究中发现，电不仅能在导体中传递，还能促使物质产生重大变化。1832年，英国物理学家法拉第在研究电流通过导电溶液时，发现液体中的不同原子或原子团能朝相反方向移动，并分别在电极上析出，这一过程被称作电解。
后来，法拉第又定量地分析了许多元素的电解过程，并总结为法拉第电解定律，即一定量的电总是能析出同样多的原子数目，而某些元素析出的原子数恰好是电量数的一半或三分之一。于是科学家们就推测在电解过程中，不同元素的原子，它们从电极上析出时所吸收的电量是不一样的，而电量本身是由许多“电单元”组成的。人们发现以此来解释法拉第的电解定律可得到圆满的结果。
但是电单元毕竟是一种看不见、摸不着的带电微小单元，因此研究起来要比物质的原子单元要困难得多，所以最初人们对它的性质知道得很少。不过到了1891年，为了对电解现象能有更深的理解，爱尔兰物理学家斯托尼提出了把电单元命名为“电子”，以它的电量作为电量的最基本单位。从此以后，电子这个名字一直沿用到现在。
科学家们为了能对电进行单独探测，就设法让电通过一个空无一物的空间，即把导线封入空气被抽掉的玻璃管中。当时，要做到这一点也是很不容易的。直到1854年，由于电真空技术的发展，德国的吹玻璃工匠兼发明家盖斯勒制成了第一根这样的玻璃管，并取名为“盖斯勒管”或阴极射线管。
然而，世界上第一个研究阴极射线管的是德国物理学家普吕克尔。他在1858年发现，当电流经过真空管时，在阴极对面的玻璃壁上出现了带绿色的辉光。许多科学家曾对这种辉光产生的原因进行了广泛探索，后来由另一位德国物理学家戈德斯坦在1876年断定，产生辉光的原因是从阳极上发射出了某种射线(即阴极射线)，落在面对阴极的管壁上所致。
由于真空管中基本不存在其它物质，所以阴极射线很可能是电流本身。因为在管中有电流流过，而电流本身是由金属导线运载的，这样阴极射线只能来自金属导线。如果这种预测是正确的话，那末一旦确定了阴极射线的本质后，就能在很大程度上揭示出电流的本质。于是人们就进一步想像，阴极射线会不会是由某种细小的波所组成的类似于光的东西，或是一束具有质量的粒子流。
由于在实验中看到了光，所以上述两种看法都曾得到了某些物理学家的赞同。到了1885年，英国物理学家克鲁克斯在真空管内巧妙地安上一个小叶轮，并让阴极射线打在小叶轮的一侧，结果发现小叶轮转动了起来。这就表明阴极射线是有质量的微粒子流，而不是没有质量的光束。
同时，克鲁克斯还发现磁铁能使阴极射线向一旁偏转。这就进一步说明，阴极射线既不同于光，也不同于中性原子，它是带有电荷的粒子流。实际上这已经到达了发现电子的意境。
整个十九世纪后期，关于阴极射线特性的研究已成为科学家们广泛争论的课题。其中有一位英国物理学家汤姆逊，他也支持阴极射线是由带电粒子流构成的观点。汤姆逊在仔细观察阴极射线管玻璃壁上所产生的荧光时，又反复思考阴极射线移动的情况，他想阴极上的“电”是怎样移动到对面管壁上去的。
为了证明管中的电是直线传播的某种射线，汤姆逊在玻璃管中间安上一个小物体。这样一来，小物体能阻挡住部分射线，在管壁上投射出清晰的阴影，这就证明了管内的射线确是直线传播的。
为了进一步弄清管中射线的性质，汤姆逊又在玻璃管旁射线所经过的地方放上一根磁棒，磁棒的一极靠近真空管。由于磁场的作用，本来直线传播的射线发生了弯曲现象，结果再次证明射线决不可能是光线，因为光线的路径在磁场中决不会发生弯曲。
那末它到底是由什么东西组成的呢？汤姆逊不愧是一位杰出的物理学家，他把实验结果总结成两点想法：1、通过真空管的不是什么射线，而是实体的微粒流；2、如果真是微粒流，那末这些微粒一定是带电的。
汤姆逊为了用实验来验证自己的想法，又在直空管中另加一电场。这样当射线从两块带电的金属板间通过时，微粒流发生了同用磁场做试验时相同的弯曲。这就充分证明了，微粒流确是由带电的微粒所组成，因为不带电的微粒流在电场作用下是不会被排斥而产生弯曲的。此外，从微粒流在电场中所产生的偏转方向上，可以看出构成阴极射线的微粒流是带负电荷的。
至此，已有充分理由认为：真空管中的阴极射线是由带负电荷的粒子流所组成的。而且它和阴极材料和放电气体无关，即粒子流的质量和电荷量均不会改变。但它们的发射速率和数量因阴极材料的不同而异。
接着，汤姆逊进一步断定，微粒子所带的电荷，就是法拉第在研究电解液中所提到的电单元，并直接用斯托尼给电单元所起的名字“电子”来称呼这些带负电荷的粒子。1897年，汤姆逊在英国“科学知识普及会”上报告了他在发现电子方面所作的实验工作，但当时都遭到很多极有声望的物理学家们的怀疑，所以电子的发现一时未能引起足够重视。即使这样，汤姆逊仍坚持自己的论点，并在以后的实验工作中，利用其它方法找到了和阴极射线性质完全相同的粒子。
例如，汤姆逊发现当紫外线照射在某些金属上时，它能使金属发射出带负电荷的微粒子，这就是“光电效应”。另外，灼热的金属丝或炭丝也能发射出这种粒子，被称为“热离子效应”。上面所发射的这些粒子，都带有等是的负电荷，现今都称为“电子”。
汤姆逊为了对电子的性质能有更深的了解，又对电子的质量和电荷量进行了测量。按照电磁学的一般原理，电子在磁场或电场中运动时，其弯曲程度跟它的电荷数和质量有一定的关系。一般说来，带电粒子愈重愈不易被偏转，磁场愈强带电粒子被弯曲得愈厉害。就这样，汤姆逊根据电子在磁场中被弯曲所需磁力的大小，间接测得了电子的质量，并进一步求得电子所带的电荷，最后获得两者的比值，即荷质比。
在此同时，汤姆逊又利用带电的氢原子和电子进行比较来研究电子的特性。由于氢原子是自然界中质量最小的原子，所以认为氢原子所带电荷和电子相同。但在实验中发现，在电磁场中电子要比带电的氢原子容易偏转得多。由此可知，电子的质量远比氢原子小得多。而今天我们已经精确测出氢原子和电子的质量比值为1837.15。
就这样，汤姆逊经过坚持不懈、百折不挠的努力，最地后终于证明了电子是客观存在于自然界的微小实体。他的这段艰辛而又光辉的历程，被记录在发表于1903年的着作《电在气体中的传导》一书中。为了表彰他在气体放电现象方面的理论和实验研究中所创建的伟大功勋，汤姆逊荣获了1906年的诺贝尔物理奖。对此他曾写下了这样一段话：“……这对我的研究成果无疑是一项有力的证据，这证据来自那些素昧平生的外国人，而他们也没有受到任何个人的因素所影响……”。
至此，人们已知道了两种具有质量的粒子，一种是构成物质的原子；另一种是组成电流的电子。另外，电子的客观存在也就否定了道尔顿所提出的原子是组成物质的最基本单元的学说，否定了原子是坚不可摧的，不能被破碎成更小粒子的假说。人们相信在原子中至少存在一种比它小得多、轻得多的粒子，即电子。这样一来，物理学家们就开始对如何正确理解原子内部的结构产生了浓厚的兴趣。
实际上，在汤姆逊发现电子以前，已有不少科学家对原子内部结构进行过研究，其中包括1895年伦琴发现 X射线；1896年贝克勒尔从铀盐中发现放射性；居里夫妇和卢瑟福等又从镭、钋等放射性元素的射线中发现了α、β和γ射线等等。他们的发现都证明了原子是在不断变化的。
汤姆逊根据已有的实验事实，加上自己对“光电效应”和“热离子效应”研究的结果，在1898年大胆地提出了原子构造的第一个模型。他设想，在原子里一般都包含着正负相反的两种电荷。由于构成物质的原子通常是中性的，故认为原子中的正负电量是相等的。而多数原子不能放出带正电的粒子，所以把原子中带正电的部分看成是原子的主体结构，一般不能移动。相反，原子中很轻的电子是能较容易离开原子的。
为此汤姆逊把原子的主体结构看成是个带正电荷的实体球，在原子中的电子被均匀分布在整个球体中，有人把此种原子结构模型形象地叫做“西瓜模型”。原子好像是西瓜一样的实心球体，瓜瓤是带正电荷的，而瓜子就好比是带负电荷的电子被均布在西瓜瓤中。
汤姆逊的原子模型虽简单，但能用来解释原子的某些特性。例如，它能方便地解释原子是电中性的。另外对阴极发射、光电效应和热离子效应也能解释。即原子中的电子由于受到正电云吸引，所以其运动受到阻滞，需在电、光或热等外界条件作用下，才能发射电子。显然如果外界作用不够大时，就不能冲破正电云的束缚，故也不能发射电子。而电子所得能量只能以热辐射或光辐射的形式释放，通常所见的电加热或电发光就是这种效应。
当然，汤姆逊的原子模型还存在着他自己也意识到的不足之处，如对原子质量的解释。由于单个电子的质量即使同最轻的氢原子相比也要小很多，而其它原子和电子相比就显得更重，这样就难以想象原子的质量全部由电子所组成。
数以千计的电子怎么能容纳在原子里呢？事实上，从气体发光和 X射线特性的实验中，已证明原子中的电子数目不可能很多，所以原子的质量势必只能由带正电的部分来决定。另外，在电子辐射发光时，必然要消耗能量，这样电子就要减速，在一瞬间它们将会陷进带正电的云雾中。
由于当时和原子结构模型直接有关的实验依据很少，所以汤姆逊未能对上述这些问题作出回答。至于原子结构模型的正确描述，有待于他的最优秀的学生—卢瑟福来完成。
即使这样，汤姆逊仍然不愧是研究原子结构的启蒙者，他引导人们对原子的质量和电荷进行更广泛的研究，而电子的发现也就成为揭开原子结构秘密的新起点。
人们为了进一步弄清原子内部的结构，就必须设法深入到原子里面去，对原子中的各种奇异现象进行探索。当时物理学家们在发现电子和其它放射性粒子的基础上，找到了用α粒子去轰击各种物质的试验方法，最后终于知道了原子中的电子和正电荷部分的分布情况，对原子内部的结构有了更深的理解。所有这一切应归功于汤姆逊教授最优秀的学生新西兰人欧内斯特·卢瑟福。正是他通过α粒子散射实验，比较满意地解决了原子内部的结构问题。
早在1895年，卢瑟福已经是汤姆逊的得力助手。他们一起从事 X射线通过气体所产生的效应的研究工作。卢瑟福从中得到了很好的锻炼，为他以后攀登科学高峰打下了扎实的基础。1898年，经他老师的推荐，卢瑟福有机会去加拿大主持一项有意义的物理研究工作。在他受聘任职期间，对铀盐和钍盐所放射的“射气”进行了广泛而又深入的研究。
从实验结果分析中，卢瑟福已经意识到这些“射气”与原物质的原子不同，是一种新的化学元素的原子。它和各种化学试剂不发生任何作用，故是一种惰性气体(即氡气)，由此卢瑟福提出了第一篇有意义的实验报告。他指出，从钍盐缓慢衰变中所放射出的“射气”，使钍永远在不断地失去某些东西。而剩下的钍仍具有发射“射气”的特性，并未察觉有丝毫减弱。
在此同时，卢瑟福也对居里夫妇发现的镭所放出的射线进行了大量研究。1906年，卢瑟福等人从研究中弄清了α粒子的性质。他们通过用电磁场偏转α粒子，证明它带有两倍于电子电荷的正电荷。如果电子的电荷用符号“－”改示，那末α粒子所带的电荷就是“++”。另外α粒子的质量要比电子重得多，事实上，α粒子的质量约等于氦原子质量，或四倍氢原子质量，是电子质量的七干三百多倍。但是α粒子能够穿透物质，而氦原子是办不到的，故α粒子的半径要比氦原子小得多。还有，α粒子所带的能量也很大，约等于6百万电子伏特，且约以十二分之一光速的速率行进。
卢瑟福在完整地研究了α粒子的基本特性后，就着手利用它去揭开原子内部的秘密。他大胆的设想，能否用α粒子打入原子内部，像“侦察兵”那样，到原子内部的微观世界里实地侦察一番。由于α粒子本身是一种带有正电荷的粒子，那末它在穿过原子时，和原子内部的正电荷部分能产生什么样的相互作用？原子中的正电荷部分到底是怎样分布的？卢瑟福就这样着手进行了一系列的α粒子散射实验。
当时，卢瑟福的实验装置是比较简单的。他利用英国曼彻斯特大学所仅有的20毫克纯溴化镭，加上从维也纳奥地利科学院借来的350毫克镭盐组成α粒子发射源。同他一起进行α粒子散射研究的还有他的优秀助手德国物理学家汉斯·盖革博士。他们的实验装置如图所示。
从图上可以看出，铅盒B中的镭所发射的α粒子束经过狭缝准直后，形成一窄束α射线，轰击在一片非常薄的金箔靶F上。经散射后的α粒子束被可以围绕靶子F转动的荧光屏S记录下来。而每次撞击所发出的闪光可通过显微镜M进行观察。
卢瑟福发现，当用一连串α粒子轰击金属箔(如金箔)时，那些川流不息的α粒子束中的大部分粒子都毫无阻碍地通过了金属箔，仍沿着原来行进的方向向前移动，这和其他物理学审所得的实验结果没有什么区别。如用他老师汤姆逊的原子模型来解释，说明在金属原子中质量很小的电子是无法阻挡质量比它大七千多倍的α粒子通过的。这就好像电子被α粒子挤在一旁，腾出通道好让α粒子穿过。即使原子中带正电的主体部分，似乎也并不坚硬，挡不住α粒子的去路。这只能说明，原子中的绝大部分必然是空隙。假如金属原子是实心的或基本上是实心的，那么即使是最薄的金属箔也会挡住大部分α粒子或使它们中的大多数改变方向。
除此以外，卢瑟福的独到之处是他仔细观察了那些局部的特殊现象。他在实验中发现有一小部分α粒子穿过金箔时，好象撞到了什么东西似的，稍微偏转了方向，与粒子束原来的行进方向形成一个小角度，且仍能从金箔中挣脱出来。
还有特别奇怪的是有个别α粒子，好像直接撞到了什么坚硬的东西而被偏离了一个很大的角度，更为惊奇的是卢瑟福还找到了直接向后反弹回来的α粒子，即在进入金属箔的同一端，出现了与行进方向相反的α粒子，这种现象是非常少见的。
卢瑟福紧紧抓住这些奇怪的现象，反复思考原子中到底会有什么东西能把α粒子反弹回来呢？因为这简直是不可思议的现象。后来他曾经写道：“在我的生命过程中，那是一件发生在我身上的、最难以置信的事。这就象你发射了一颗直径为15英寸的炮弹，它打向一张薄薄的卫生纸时，却被那张纸弹了回来，而后打到你一样几乎不可相信。”
但是，科学实验的正确结果总是能反映客观实际的。卢瑟福的α粒子散射实验的结果，有力地否定了他老师汤姆逊的原子模型，同时也证明了原子内部一定存在着集中在一起的正电荷部分。根据库仑定律，作用在电荷上的力与电荷的电量大小成正比，与电荷间的距离平方成反比。由此可看出，只有当α粒子非常接近对它发生作用的“正电荷”时，才能获得足够大的静电斥力，使其偏转很大的角度或甚至直接被反弹回来。
当然，这种集中的电荷决不可能是电子，因为电子的质量比α粒子要小七千多倍。这样，如果电子和α粒子相撞，就好象是一辆重约一吨的飞速行驶的汽车与一块摆在马路上的重为一百多克的小石子相撞一样。结果石子被抛得很远，而汽车的运动不会有什么变化。所以，α粒子大角度偏转的原因决不可能是与电子碰撞引起的。相反，只有原子内部集中的正电荷部分(原子质量的绝大部分也集中于此)与α粒子相互作用时，才能使α粒子改变运动方向，甚至于把α粒子向相反方向弹回去。
另外，根据实验结果可以推知原子中带正电荷部分的质量和大小。显然它的质量至少与α粒子一样大或者更大。而它的尺寸一定很小，因为实验中α粒子很少碰到它，大多数α粒子只是一掠而过。
直到1911年，卢瑟福才正式把自己的实验结果公诸于世。并提出了自己对原子结构的论述。他认为原有的西瓜原子模型是错误的。因为从α粒子散射实验结果可以说明，原子中的正电荷部分决不可能均布在原子球体内。事实上，原子的全部质量差不多都集中在中心一个体积很小的带正荷的“核”上。通过对大角散射(大于90°)的α粒子的测量，可计算出“核”的大概尺寸和环绕核心原子所占的空间大小(即原子直径)。
计算结果表明，原子核直径只占原子直径的万分之一左右，而原子内部的广大空间是由带负电荷的电子所填满。由于电子远比原子小，故原子内绝大部分是空着的。这就是卢瑟福所提出的“有核原子模型”。
我们根据有核原子模型理论，不仅能解释场姆逊原子模型所能解释的各种物理现象，而且还能说明其它物理现象。例如，对原子核为什么能穿透物质的解释。由于原子核是通过某种方法把原子中的电子全部除去后形成的，这样核的尺寸就比原子小得多。所以原子核就能容易地穿过物质。例如，α粒子就是失去两个电子的氦原子，即是氦核，故它能很容易地穿过金箔。另外，由于电子所占的质量很小，因此原子核的质量和原子的质量基本上是一样的。
我们还知道，汤姆逊原子模型对放射性的存在也是无法解释的。因为在放射性元素放射的射线中存在α射线，它是带有两个单位正电荷的粒子。这显然是和汤姆逊原子模型认为正电荷均布在原子内部的说法相矛盾的。而卢瑟福的有核原子模型就能容易地解释这一现象。即α射线是从放射性元素的原子核中发射出来的，原来的原子就衰变成一种新原子。
虽然，卢瑟福的有核原子模型理论在当时物理学界未能引起什么轰动，但他的核模型至今仍被人们所公认。基于他对原子核物理学的发展所作的卓越贡献，他获得了1908年诺贝尔化学奖。同时，这位天才横溢的物理学家不仅继承了他老师的科学事业，而且还承担了他老师的各种职位，其中包括在1925年担任英国皇家学会会长的职位。
但是卢瑟福的有核模型在电稳定性和线光谱的说明上遇到了困难。按照古典电动力学电子绕核回转会发射连续的电磁波，因而损失能量并且很快就陷落到原子核上，那么，如何解决卢瑟福的原子模型有实验根据，但却与古典理论不符这个尖锐矛盾呢？这是当时原子物理学家面临的难题。
玻尔首先把普朗克的量子假说推广到原子内部的能量，来解决卢瑟福原子模型在稳定性方面的困难，假定原子只能通过分立的能量子来改变它的能量，也就是说原子只能处在分立的定态之中，而且最低的定态就是原子的正常态。接着他在友人汉森的启发下从光谱线的组合定律达到定态跃迁的概念。于是在1913年79和11月发表了长篇论文《论原子构造和分子构造》的三个部分。玻尔的原子理论给出这样的原子图像：电子在一些特定的可能轨道上绕核作圆周运动，离核愈远能量愈高；可能的轨道由电子的角动量必须是 h/2π的整数倍决定；当电子在这些可能的轨道上运动时原子不发射也不吸收能量，只有当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时原子才发射或吸收能量，而且发射或吸收的辐射是单频的，辐射的频率和能量之间关系由 E＝hy给出。玻尔的理论成功地说明了原子的稳定性和氢原子光谱线规律。
从1808年道尔顿提出“原子论”起，到1911年卢瑟福建立有核原子模型理论止，先后共经历了一百多年时间。看来要揭开原子世界的秘密，的确是不容易的。正是由于象卢瑟福、汤姆逊等出类拔萃的科学家们百折不挠的努力，最后才终于打破了原子不可分割的界线。他们发现了电子、α粒子等亚原子粒子；找到了原子中的核心部分，并对它的特性进行了研究；建立了比较完善的原子结构理论；正确地描绘了原子世界的图象。
由上可知，卢瑟福通过α粒子散射实验，建立了有核原子模型理论。不足之处是对电子在原子中的分布情况还很不清楚。当然，它们肯定不象西瓜模型中的瓜子那样均匀分布，但具体的分布情况仍不得而知。为了解答这个问题，我们必须提到丹麦物理学家尼尔斯·玻尔教授的工作。他对卢瑟福的伟大发现不但非常重视而且给予了高度的评价，他曾经亲自到卢瑟福的实验室工作了几个月，然后在1912年发表了一篇有关电子围绕原子核运动的论文。他在描述电子围绕原子核转动时，应用量子的概念说明电子运动的轨道是不能任意选择的，只能处在特定的轨道上环绕原子核转动。这就好比宇宙空间中太阳系的行星，它们都是以自身固有的轨道围绕太阳运动。玻尔把自己的论文寄给了卢瑟福，他的卓越见解立刻使卢瑟福欣喜若狂，因为玻尔把核外电子的运动情况解释得如此完美无缺，这是人们意想不到的。
这样一来，卢瑟福原先假定的原子中的核外电子是由于受到核心对它的电磁引力作用，才能迅速运动的说法，可作更进一步的说明。因为电子和核之间的强大引力如果没有其它力来抵消，电子就有可能被原子核吸引过去。现根据玻尔的电子轨道理论，卢瑟福就把电子围绕核高速旋转所产生的离心力，看成是保证电子不被吸到核心上的抵消力。这就是卢瑟福提出的关于原子结构的行星模型。
卢瑟福的原子构造理论反过来又为他多年来所作的一系列α粒子散射实验结果，提供了更满意的解释。卢瑟福又利用数学这个有用的工具，对α粒子散射现象从物理和数学上加以分析和推导。最后，获得了一个公式。而验证此公式正确与否的实验任务是由卢瑟福的得力助手盖革和马斯敦完成的。他们曾选用了七种不同的散射物质和不同能量的α粒子，进行了极为广泛的测定和验证。结果，完全证实了卢瑟福散射公式的正确性。这样一来，就为卢瑟福的有核原子结构理论提供了有力的实验依据。从此以后，卢瑟福的有核原子模型得到了物理学家的一致公认，而“原子核”这个名称一直沿用至今。
从α粒子散射实验开始，直到散射公式被实验证实为止。使得人们有可能对原子世界的图象加以更真实的描绘，于是原子中原子核的客观存在已毋庸置疑了。而物理学家的注意力也从原子转向原子核，人们思考着这个比原子还要小万倍的实体是由什么东西所组成的？它又有哪些重要的特性呢？
质子的发现
从十九世纪末到二十世纪初，科学家们连续不断地对奇妙的原子世界进行了深入而又细致的研究，并取得了很多伟大的成就。他们在发现X射线和放射性的基础上，找到了比原子更小的电子；并进一步发现了原子核的存在；通过精确测量，鉴别了同位素；对原子核的特性(包括核电荷、核质量和核体积等等)进行了初步探索……。
正当人们开始向原子核世界进军的时候，却爆发了第一次世界大战，战火燃遍了整个欧洲。本来热气腾腾、欣欣向荣的科学研究工作，此时也都被战争阴云所笼罩。卢瑟福被迫参加了英国海军的研究发展部，致力于潜水艇侦察问题的研究。居里夫人在法国参加了前线医疗服务队……，许多科学家都离开了自己原来的研究部。
到了1918年，大战刚一结束，卢瑟福就风尘仆仆地回到原来的研究所，并以更大的热情和充沛的精力投身到他原来所从事的研究工作中去。当时只有一位助手同他一起在十分简陋的实验室里进行α粒子散射实验工作，他们每天重复地数着由于α粒子打在硫化锌制成的荧光屏上所产生的闪光。
后来，卢瑟福来到剑桥大学，接任了汤姆逊老师的职务。他继续用α粒子去轰击一些轻元素的原子核，希望α粒子能进入原子核内部进行“侦察”，以求早日揭开核世界的秘密。在1919年终于出现了奇迹，这是核科学史上难以忘怀的一年，卢瑟福成功地实现了人类有史以来第一次人工核反应。坚硬而又微小的原子核首次被α粒子击中后发生了很大变化，并从核反应的过程中观察到了一种新的粒子—质子。同年6月，卢瑟福在英国皇家学院作了关于氮原子核被α粒子击中能发射出质子的报告，而且当众做了实验表演。
下面，就让我们回顾一下，卢瑟福的第一次人工核反应到底是怎样实现的？
从三个天然放射系中，我们可以看到很多放射性元素都能发射带有2个正电荷和质量数为4的α粒子。为此人们就联想到原子核是否都是由相同的α粒子所组成？因为只有原子核是带正电荷的，并集中了原子的绝大部分质量。但是事实上有许多原子核的电荷数和质量数都不是2和4的倍数，所以人们又根据氢原子核的电荷数和质量数都是1的特点，认为原子核很可能是氢核和α粒子的混合体。然而，这仅仅是一种大胆的设想，还需用实验加以验证。为此，科学家们为了早日揭开原子核内部结构的秘密，就利用当时仅有的α粒子束作为炮弹，不断轰击各种原子核。其中工作做得最多也是最有经验和成就的当然是卢瑟福教授。他在用镭所发射的α粒子对重元素核和轻元素核轰击时，发现了一种奇怪现象，即对重核(例如82号元素铅)轰击时，由于α粒子与重核间存在着巨大的静电斥力，所以α粒子只能在离核相当远的地方发生偏转；而对轻元素(如7号元素氮)恢轰击时，它与α粒子间的静电斥力就小得多了，此时α粒子有可能在离核较近的距离内发生偏转。然而科学家们感兴趣的是：能否有个别高能量的α粒子能够克服与核产生的静电斥力进入核中。这样，α粒子就能和核内部发生作用，而后通过研究分析，就可以对原子核的内部结构能有所了解。卢瑟福根据这个想法，设计了新的实验装置。
1919年，卢瑟福用氮气作为α粒子的轰击靶核，结果看到了从荧光屏上所产生的明亮闪光。而这种闪光是来之不易的，因为原子核实在太小了，其直径约为十亿分之一厘米，所以α粒于束中的绝大多数注定是要打空的。卢瑟福的计算表明，每30万个α粒子中只有一个能侥幸击中氮原子核。
那末，明亮的闪光究竟是怎样产生的呢？卢瑟福认为这决不可能是容器内的α粒子所引起的。因为根据α粒子的最大能量7.7兆电子伏在氮气中的射程不能大于28厘米。这样，只要在实验中把α源和荧光屏之间的距离固定在28厘米处，α粒子就不能透过银箔到达荧光屏上了。当然，闪光也不可能是因α粒子激发原子后放出的特征x射线所造成。而唯一的可能就是由于α粒子直接和氮核相互作用产生了某种新粒子的结果。
为了证明这一点，卢瑟福又在抽空的容器中充以氢气。结果在α粒子轰击下，也能获得与轰击氮核时一样的闪光。这是因为α粒子与氢核相互作用时，把能量传递给它。只要能量足够大，获得能量的氢核就得穿透银箔在荧光屏上产生闪光。而原来α粒子轰击氮核时，在碰撞过程中产生了一种类似于氢核的新粒子(后来被称作质子)，而且它的能量也很大，在氮气中的射程大于28厘米(如在空气中则为40厘米)，故能容易地穿过银箔在荧光屏上产生和氢核相同的闪光。卢瑟福又把这种新粒子引入电磁场中，经测定发现其电荷和质量同质子完全一样。
接着，卢瑟福为了最后肯定引起闪光的是质子，而且它只能从氮原子核里产生出来的结论，又把氮气经过多次净化后再行测量。结果发现这种闪光确实仍然存在，而且强度也未见减弱。这就充分说明闪光不可能是由于在氮气中偶然含有氢或容器被氢污染所引起，而完全是由于α粒子和氮核相互作用的结果。这就是有史以来的第一次人工核反应。
从反应中可以看到，氮核被α粒子轰击后，能够生成氧的同位素氧17和质子。从此人们不但知道在原子核中的确存在着同氢核一样的粒子—质子，而且通过核反应，人们也能够把一种元素转变成另外一种新元素。自古以来，炼金术家们一直幻想着能把一种元素熔炼成另外一种有用的元素，这个宿愿终于被现代“炼金术”家实现了。
在此同时，1924年英国物理学家布莱开特利用威尔逊云室，直接测得了α粒子同氮核的反应过程。这种测量装置是在1912年由英国物理学家威尔逊精心设计制造而成的一种跟踪离子轨迹的仪器。
卢瑟福为了想知道是否会有更多的元素在α粒子轰击下也能产生出质子和新的原子核。他曾借助上面的实验装置，继续用α粒子去轰击硼、氟、铀、铝和磷等元素，并仔细地观测了它们的核反应过程。到1924年为止，卢瑟福发现除了上述提及的元素外，还有氖、镁、硅、硫和氯等元素经过核反应都能发射质子。并总结归纳成以下几点：
(1)实验证明，原子核结构十分复杂，它们中的某些核具有俘获α粒子的本领，通过核反应从核中发射出质子，从而形成另外一种新元素。
(2)产生核反应要有一定条件，即要求入射粒子具有一定的能量，一般为几兆电子伏才能克服与靶核产生的静电斥力，进入核内产生反应。当然，其命中率不高，需要大量入射粒子，才偶尔可得一、二次核反应。
(3)核反应过程一般都是吸能反应，但也有例外。
(4)各种元素的核结合的松紧程度是不同的。如铝核就结合得很松，而氦核就结合得比较紧
中子的发现
卢瑟福在首次人工核反应中找到质子以后，在1920年对原子核内部结构提出—个更大胆的设想。他认为原子核内至少存在着质子和电子两种亚原子粒子，它们聚集在原子核内十分狭小的范围里，单个质子和电子成对地紧抱在一起，形成一个个组合粒子。
这虽然能解释原子核内部并非只是由质子单独构成的事实，但仍无法说明由质子来组成原子核的全部质量。例如，氦原子核有两倍于质子的电荷和四倍于质子的质量。如果认为氦核的质量是由4个质子所组成，那末电荷数就相差2，人们不禁要问多余的电荷哪里去了？显然，若能在原子核里放进两个电子，和多余的电荷平衡，那么电荷数和质量数就能自圆其说了。
由于当时还没有发现过不带电荷的亚原子粒子，故就无法用核内存在不带电荷只有质量的粒子进行揭示。然而，这种只有质量不带电荷的粒子，它们在核内的作用却很像被放在船底的“压舱物”，起着稳定原子核的作用。科学家们为了能彻底揭开核世界结构的奥秘，就要想法早日找到这种不带电荷的中性粒子。
当时，从事这方面研究工作的主要有德、法、英三国，它们对中子的发现分别作出了非常有益的贡献。
1930年，德国物理学家博特等人，利用天然放射性元素钋所发射的α粒子，去轰击—种银白色的轻金属元素铍。结果博特在实验中发现了一些非常有趣的现象，即当用α粒子轰击铍、锂、硼时，都产生了一种能使计数管放电的射线，而放电次数和靶核有关，其中铍靶的放电次数最多。一旦α粒子停止轰击，放电现象也就停止。如果在射线经过的路途上放置各种不同的物质，则发现这种射线能贯穿几厘米厚的铅。根据当时已知射线的性质，只有γ射线能有穿透包括铅在内的各种物质的本领。为此，博特他们断定α粒子轰击铍时，所发射的能使计数管放电的射线也是一种γ射线。
然而，从能量平衡的观点上看，很快就发现了矛盾，于是人们对这些“γ射线”产生了怀疑。那是在1932年，法国有一对物理学家夫妇弗雷德里克·约里奥·居里和伊伦·约里奥·居里，当时他们都在他们母亲居里夫人所主持的巴黎镭学院的放射性实验室里做研究工作。他们重复了博特的用α粒子轰击铍核的实验，并用一种对γ射线和带电粒子都灵敏的探测器进行测量。另外，除了仍用铅作过滤物质外，又采用水、石蜡等含氢物质充入探测器中。结果发现这样的探测器对所发射的“γ射线”的探测效率提高很多，电离电流几乎增加一倍。
这样，他们认为，高能量的“γ射线”同含氢物质中的氢核作用时，能把能量传递给氢核，而氢核被激发后就像质子那样独立地运动。我们已知质子的电离本领要比γ射线强的多，所以电离室的电离电流增加很多。
紧接着，约里奥·居里夫妇又用一种含有氢气的威尔逊云室对质子进行直接观测。结果他们清晰地看到了“γ射线”同氢核作用所产生的质子在云室中所形成的径迹。而且径迹的起始点不是从被撞击的铍核开始，而是在云室的各个角落同时发生。他们根据这种质子在空气中的射程(为26厘米)，可换算得它的能量为5.7兆电子伏。再通过质子和“γ射线”的能量关系，可算得这些神秘的“γ射线”的能量是出乎意外的大，约为55兆电子伏。这就和用“γ射线”的穿透本领所算得能量为5兆电子伏相矛盾，对于同一种“γ射线”两者相差实在太大了。
这个矛盾更无法用能量守恒进行解释，已知钋所发射的α粒子能量只有5.3兆电子伏，那么所产生的“γ射线”的巨大能量是从哪里来的？因此，这种根据穿透本领推测的“γ射线”实际上是难以成立的。可惜的是约里奥·居里夫妇未能紧紧抓住这个重大矛盾的线索进行跟踪追击，他们虽已到了发现“中子”的门槛，但仍错失良机未能往前再迈进一步。
后来，当英国物理学家詹姆斯·查德威克1932年正式宣告发现中子后25年，也就是1957年，论及约里奥·居里夫妇对科学事业的贡献时，曾特别提到他们夫妇俩的实验确是一个“供给发现中子线索的非常奇妙的效应”。
查德威克在他发现中子以前已是一位才华横溢的着名物理学家，他曾在卢瑟福所主持的卡文迪许实验室进行过多年有关α粒子和γ射线等放射性研究工作，他一直是卢瑟福的得力助手。即使在第一次世界大战地间，他和其他的德国囚犯被拘禁在鲁勒本时，仍然和大家—起就地建造了一间小小的实验室，专心致力于β射线的研究。
从一战后到1923年，查德威克一直担任卡文迪许放射性研究工作的助理指导，并参与了卢瑟福在1919年所作的第—次人工核反应的研究工作。通过这一系列的实验工作，他清楚地意识到，当用带2个正电荷的α粒子轰击原子核时，将会遭到强大的静电斥力。为此，他早在1923年就写信告诉卢瑟福说：“我本人认为我们必须对不带电荷的中子做一次真正的研究，现在我已经有了一个迫切的工作计划，但还是应该事前和阿斯顿商量”。从这里人们不难看出，早在他发现中子前十年，已为中子的发现作出了周密计划，所以查德威克作为中子的第—个发现者确是当之无愧的。
至于查德威克用来发现中子的实验装置也是十分简单的。查德威克对实验中所产生的“射线”进行了仔细观察。结果发现它们和已知的γ射线和X射线一样，也不会被磁场偏转，这就证明组成它们的确是一些中性粒子。然而它们的行进速率却是太慢了，仅是光速的十分之一左右，而通常γ射线的行进速率是和光速相近的。所以它们不可能是属于γ射线。
另外，查德威克把这些“射线”同氮气、氦气、锂、铍和硼等发生作用，对它们的性质作更进一步研究。结果在实验过程中找到了这些元素的反冲核，并根据氮和锂的反冲核射程推算得“射线”的能量分别为90和150兆电子伏，这比前面约里奥·居里夫妇算得的能量还要大很多。由此可知，问样是α粒子同铍核反应产生的“射线”，如果认为是“γ射线”，则实验所得的能量值很不一致。
就这样，查德威克用类似的实验证明原来认为是“γ射线”的概念是不符合客观实际的。另外，查德威克根据首次人工核反应中α粒子能从氮核中辐射出质子这一事实，认为任何能从原子核中打击质子的辐射，必须是由一些本身就应该相当于质子那么重的粒子所构成。
最后，查德威克把α粒子轰击铍核所产生的“射线”，看成是一种不带电的中性粒子流，它的质量数和质子相当，并具有很强的穿透本领。而在威尔逊云室内证明它不能直接产生电离作用，所以它基本上不带电荷，以至于就等于零。至此，查德威克就把曾被哈金斯用过的名称“中子”来称呼它，这也是他在十年以前曾经设想过的工作计划中提到过的名称。
后来，当他把自己的发现写信给《自然》科学杂志发表的，曾在信中更明确地指出：“如果我们假设这种放射性辐射是由质量数为l，电荷数为“
到了1934年，查德威克通过实验又弄清了中子要比质子重的事实。根据现代精确测定质子的质量为1.007825原子质量单位，而中子的质量为1.008665原子质量单位。中子作为一种新发现的亚原子粒子，它和质子、电子一样能够独立存在。孤立的中子放出一个电子后，就衰变成质子。而中子的寿命大约在10.6分钟内将有一半被衰变成质子。中子的发现，使核科学的发展进入了一个崭新的时代。为此，查德威克荣获1935年度诺贝尔物理奖。
实验证明，除了铍核在α粒子轰击下能发射中子外，硼、锂核在α粒子轰击下也能放射中子。由此可知，中子确是组成原子核的又一个重要粒子。这样一来，科学家们就能顺利地摆脱当时有关原子核结构上某些假设的困境。
其中德国物理学家海森伯格首先提出了原子核是由质子和中子所构成的学说。根据这一学说，就能容易地解释周期表上各种元素的原子核构造。我们从门捷列夫元素周期表上可以看到，在由中子和质子组成的所有稳定核中，只有氢核是由单个质子组成；而在氦3同位素中有两个质子和一个中子；而其余稳定元素的核中，中子数至少和质子数相等，例如氦4、碳12、氮14和氧16等。然而更多的核中，中子数都大于质子数，例如铁56、铜64、金197等。
另外，我们知道由于物质的质量绝大部分都集中在它的原子核上，而原子核中中子的质量数占一半以上，所以宇宙中的全部物质大约有一半以上的质量是属于中子的。
由于中子不带电荷，所以当它深入到原子内部时，既不会被电子阻拦，也不会受到核电荷的静电斥力的排斥。这样中子就能在原子内部畅通无阻，很可能被某个原子核俘获，产生那些用质子或α粒子轰击时所不能发生的核反应。因此中子发现后，物理学家们就能获得一种命中率高的轰击粒子，它被有效地用作为轰击各种原子核的炮弹，从而成为科学家们进行核科学研究的重要工具。
玻尔首先把普朗克的量子假说推广到原子内部的能量，来解决卢瑟福原子模型在稳定性方面的困难，假定原子只能通过分立的能量子来改变它的能量，也就是说原子只能处在分立的定态之中，而且最低的定态就是原子的正常态。接着他在友人汉森的启发下从光谱线的组合定律达到定态跃迁的概念。于是在1913年79和11月发表了长篇论文《论原子构造和分子构造》的三个部分。玻尔的原子理论给出这样的原子图像：电子在一些特定的可能轨道上绕核作圆周运动，离核愈远能量愈高；可能的轨道由电子的角动量必须是 h/2π的整数倍决定；当电子在这些可能的轨道上运动时原子不发射也不吸收能量，只有当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时原子才发射或吸收能量，而且发射或吸收的辐射是单频的，辐射的频率和能量之间关系由 E＝hy给出。玻尔的理论成功地说明了原子的稳定性和氢原子光谱线规律。