1906年汤姆逊因为电子的发现获得诺贝尔物理奖，他是剑桥大学卡文迪许实验室主任和三一学院院长。1919年,他辞去卡文迪文迪许实验室主任的职务,并且推荐他的学生卢瑟福作他的接班人，卢瑟福担任了卡文迪许实验室主任以后,开展的第一件重大的科研工作,就是解剖原子核。
可是,一个金原子核的半径只有0.00000000003厘米,哪里去找一把能切开它的锋利的小刀呢?他回想起他和盖革一起作过的a粒子散射实验。当时发现有极少数的a粒子会反弹回来,说明这些a粒子是正对着金原子核撞去的,只是由于受到同性电荷的斥力而被弹了回来。能不能设法使a粒子克服斥力,打在原子核上呢?这需要两个条件。
第一,a粒子的速度要足够大,卢瑟福选用了镭C′（由镭蜕变生成的即原子量为218核电荷数为84的钋的同位素)放出来的a粒子,它的速度达到19200公里/秒。
第二,同性电荷的斥力的大小与电荷的多少成正比,金原子核有79个单位阳电荷,所以斥力很大。要使a粒子能打到原子核上,这个原子核的阳电荷越少越好,所以要选用列在周期表前面的一些元素。
卢瑟福作了一个可以抽真空的黄铜罐子,罐中放着一片涂有镭C′的小片,它不断地射出快速的a粒子。正对着这个小片的铜罐一端,有个小窗口,窗口上涂着硫化锌。如有a粒子射在窗口上,窗口就会发出闪光。
卢瑟福已经知道放射性元素放射出来的a粒子,在空气中只能通过一定的距离,这叫做a粒子的“射程”。不同的放射性元素放射出来的a粒子的射程是不一样的,镭C'放射的a粒子在空气中能射7厘米远。在铜罐中涂有镭C'的小片离硫化锌窗口要比7厘米远一些,所以a粒子刚好射不到硫化锌上,在一般情况下,窗口不会发出闪光。（用硫化锌发光检测微粒最早的发明者是高压放电管发明者克鲁克斯）卢瑟福让他的助手马斯登抽掉罐中的空气,换上各种不同的气体来研究。
有一天,马斯登向卢瑟福报告了一个新发现:在罐内充了氢气,本来不发闪光的硫化锌窗口上出现了闪光。但是这闪光和a粒子所发出来的闪光不一样,可能是一种新的粒子。这种新的粒子是什么呢?用汤姆逊的方法作实验证明,这是一种穿透力很强的速度比a粒子更快的粒子。它不是别的,原来就是失去电子的氢原子——氢核。
解释是这样的:快速的a粒子正对着氢原子核碰去,就象我们弹玻璃球一样,一个球弹在另一个球上,就把另一个球弹开了;由于a粒子的质量是氢核的四倍,所以碰撞以后,氢核以更大的速度弹开去了。这个实验证明,a粒子确实打到氢原子核上了。
马斯登继续作实验。
他换上了二氧化碳气和氧气,这时候,硫化锌窗口不发生闪光。看来氧核和碳核都比较重,即使受到α粒子碰撞,也弹不远。换上了氮气以后,窗口上又出现闪光了。难道是a粒子推动了氮原子核吗?这不可能,因为氮原子核的质量要比a粒子大两倍多。
进一步的研究表明,引起硫化锌闪光的还是氢原子核。这又是一个重大发现,卢瑟福的助手们都跑来看,大家热烈地讨论了这个现象。有人提出来:这是a粒子撞击了氮原子核,从氮原子核中打出来的氢原子核。
“这是可能的。”卢瑟福说:“但是,现在下这个结论还早了一点。谁能保证我们用的氮气中没有混入一些氢气或水气呢?要知道,一个水分子中有两个氢原子,a粒子打到水分子上,也会把氢原子打下来。那就是击破了分子,而不是击破了原子核。”
科学是不容许一点马虎的。
助手们开始更仔细地作起实验来。他们把氮气中的水气和可能存在的氢气都排除干净以后,再把它充到铜罐内去作实验。结果在a粒子的轰击下,还是出现了高速的氢原子核。氮原子核真的被a粒子打破了!
是不是还可以打破一些别的元素的原子核呢?他们改装了仪器,又作了不少实验。结果发现,用a粒子射击氖、镁、硅、硫、氯、氩和钾,都会打出高速的氢原子核来。
原子核被打破了!在各种元素的原子核里面,都打出了氢原子核。这说明氢原子核是各种元素的原子核的重要组成部分。
卢瑟福给氢原子核起了一个专门名字一一质子。a粒子射中氮原子核,放出来质子,那么氮原子核变成什么了呢?a粒立子又到哪里去了呢?这些问题,在当时人们还不太清楚。又过了几年才通过科学实验证明:a粒子打到氮原子核里去了,在放出高速质子的同时,氮原子核变成了氧原子核。
这是一件非常了不起的大事。
古时候的炼金术士早就想把一种元素转变成另一种元素,希望能点石成金,他们始终没作到。而如今,在卢瑟福的实验室中,第一次实现了这个古老的幻想。这是第一次实现的人工核反应。
1919年,卢瑟福打开了原子核,发现核里面有质子,质子就是氢原子核。这就使人们想起一百多年前的一个假说。
这个假说是在1814年由英国的青年医生普劳特提出来的。他认为各种元素的原子都是由不同数目的氢原子组成的,所以各种元素的原子量都应该是氢的原子量的整数倍。也就是说:氢原子才是最基本和最简单的物质。
他的假说发表以后,有的科学家赞成,有的科学家反对。赞成派和反对派为这个问题争论了一个世纪。
那时候,人们都相信道尔顿提出的观点:同一元素的原子,质量是完全一样的。当仔细测定了各种元素的原子量后,发现不少元素的原子量并不是氢的原子量的整数倍,例如氯的原子量是35.5,就不是整数。（现在我们知道这35.5其实是同位素的平均原子量）反对派们有实验为根据,宣布普劳特的假说是胡说八道。
到了二十世纪,赞成派慢慢地占了上风了。卢瑟福的发现成为他们更有力的证据:许多元素的原子核里都有氢原子核——质子。
但是,有些元素的原子量不是氢的原子量的整数倍,这又怎样解释呢?
就在卢瑟福发现核中有质子的同一年,汤姆逊的助手阿斯顿也作出了新的贡献。他设计了一种新仪器名叫质谱仪。这种仪器可以把不同质量的原子分开,并且分别“称出”它们的质量。他研究了各种元素,结果发现大多数元素都有不同质量的同位素。
更有意思的是,他发现各种元素的同位素的质量,差不多都是质子的质量的整数倍。
阿斯顿的仪器不仅能测定每一种同位素的质量,而且能测出某一种元素中几种同位素含量的百分比。他发现氯有两种同位素:一种的质量是质子的35倍C1-35;另一种的质量是质子的37倍Cl-37。他还测出在天然的氯中,Cl-35占75.4%,而Cl-37占24.6%天然的氯是由两种质量不同的同位素组成的,那么氯原子的平均质量是多少呢?
计算得出35×75.4%+37×24.6%=35.5也就是说,氯原子的平均质量是氢原子的质量的35.5倍,正好和过去测定的结果一致。
35.5的谜解开了。普劳特的假说又复活了。普劳特是对的,而道尔顿的关于同一元素的原子质量完全一样的观点错了。
但是要承认普劳特的假说是科学真理,也还有一些问题没有解决。普劳特的假说认为各种元素的原子都是由不同数目的氢原子组成。
按照普劳特的观点,当然就应当认为各种元素的原子核都是由不同数目的质子组成的。已经测定了,一个氢原子核一个质子带有一个单位阳电荷,一个氦原子核即a粒子带有两个单位阳电荷,一个氧原子核带有8个单位阳电荷。可是,个氦原子核的质量是质子的4倍,一个氧原子核的质量是质子的16倍。要是认为氦原子核是由4个质子构成的,质量对了,但是电荷的数目不对,少了2个阳电荷。如果认为氧原子核是由8个质子组成的,电荷数目对了,但是质量又少了一半。这个矛盾究竟应当怎祥解释呢?
还有一个问题:由于同性电荷相斥,几个带有阳电荷的质子应该是很难结合在一起而形成较重的原子核的。可是在各种化学元素中,除氢之外,其他元素的原子核的质量都比质子大,从大几倍一直到大二百多倍。这又怎样解释呢?
1613年居里夫人提出的一个原子核的模型:原子核是由阳电荷和电子组成的。显然,这阳电荷就应该是质子。
在过去,人们认为构成宇宙间万物的基本砖石是化学元素,是各种原子。而现在,情况变了,人们发现构成宇宙间万物的基本砖石只有两种—质子和电子。各种元素的原子,不过是由这两种基本砖石造成的预制件。把这些预制件以各种形式搭配起来,就可以建成千变万化的物质世界
用这两种基本砖石是怎样造成预制件的呢?科学家们提出了质子—电子模型。
第一号预制件就是氢,它是由一个质子的核心和绕着质子旋转的一个电子构成的。
第二号预制件是氦,它的核是由四个质子和两个电子组成的。一个质子带有一个单位阳电荷,一个电子带有一个单位阴电荷,在氦原子核中,两个电子的阴电荷中和了两个质子的阳电荷,所以氦原子核显示出来的是两个单位阳电荷。而绕着氦原子核转的电子相应的也正好是两个。
在原子核中,带阴电荷的电子象胶水一样把较多的带阳电荷的质子粘在一起。科学家们非常简单地把些困难问题都解决了。
只要有质子和电子,就能搭配成各种预制件。例如,周期表上第8号元素氧是O-16。显然,它的原子核要用16个质子和8(16-8=8)个电子组成,而核外的电子是8个。周期表中第17号元素是氯。阿斯顿发现氯有两种同位素,所以这种元素又分为两种原子:一种是C1-35,它的原子核是由35个质子和18(35-17=18)个电子构成的;另一种是Cl-37,它的原子核是由37个质子和20(37-17=20)个电子构成的。这两种原子外围的电子数都是17。
这一切是多么简单啊!只要用最简单的加减法就能解决问题。
包括天然放射性元素可以看做是一些大型预制件。释放出α氦粒子流或β电子流而转变成其它元素也能成功解释。释放出氦粒子流，原子核的质量数就减少4、阳电荷数就减少2其结果是这种元素就蜕变为原子序数比它少2的另一种元素。
88号元素镭放出a粒子，蜕变成86号元素氡,86号元素氡放出a粒子就蜕变成84号元素钋。
β射线是带一个单位负电荷的电子，质量约是质子的1836分之一，一种放射性元素放出β射线后的原子核的质量数几乎不变,而原子核带的阳电荷数增加1，结果就蜕变为原子序数增加1的另外一种元素。比如89号元素锕放出β射线以后,就蜕变成90号元素钍。
那么,把a粒子打到一个原子核中去的人工核反应,情况又是怎样呢?比如卢瑟福把a粒子打到氮原子核中去,打出了质子,氮原子核会变成什么呢?按照质子——电子模型,这个人工核反应可以表示为4He+14N→17O+1H
也就是说,氮原子核变成了氧原子核。这种原子核的质子—电子模型看来好象很合理,不仅对原子核的质量数和电荷数都解释得很好,而且对天然放射性和人工核反应也解释了。人们说原子核中有电子,似乎也是有道理的,因为天然放射性元素的确会放射出电子流β射线。
但是,直到1932年英国科学家查德威克发现了中子，他是在研究和改进卢瑟福α射线轰击实验的基础上获得的成就，终于否定了这种质子-电子的核结构模型。
