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1897年J.J.汤姆孙发现电子后提出了原子模型―葡萄干蛋糕模型.他认为原子是一个带正电的球,带负电的电子均匀分布在这个球里.在一次实验中,卢瑟福建议马斯登做让a粒子从金属表面直接反射的实验,这就导致了著名的“a射线大角度散射”的惊人结果.1911年,卢瑟福根据a粒子散射实验提出了“核式结构模型”:全部正电荷集中在原子球体的中心,原子核约占原子大小的几万分之一,原子的近乎全部质量集中在原子核上,电子在核外空间受到核电荷的电磁吸引而绕核旋转.至于稳定性间题,他并不讳言,在论文一开始,就声明:“在现阶段,不必考虑所提原子的稳定性,因为显然这将取决于原子的细微结构和带电组成部分的运动.”
然而,对于原子核内部结构的研究,科学家又是怎样探究的呢?
1914年,卢瑟福的学生马斯登在用闪烁镜观测。射线在空气中的射程时,注意到实验中出现了一些射程特别长的粒子.卢瑟福在助手的协助下前后做了3年左右的实验,于1919年宣布实现了轻元素原子的转变.卢瑟福经过反复试验终于确定氮原子在a粒子的轰击下发生了核的转变,从氮核中放出了氢核,他的研究开辟了人工核反应的道路.后来,布拉凯特用威耳逊云室记录粒子的径迹,找到了氮气在Q粒子轰击下产生氢核的证据,不过几率非常小,在20000多张照片中只有8条径迹出现氢核径迹的分叉.1920年以前,人们根据积累的事实普遍认为原子核是由质子和电子组成的.这种观念既包含了1815年普劳特关于一切元素的原子都是由氢原子构成的假说,又解释了汤姆孙和阿斯顿用质谱仪得出的新发现.但是新的矛盾也出现了,莫塞莱精确建立了核电荷数Z与原子序数的恒等关系,证明质子数与电子数不可能相等,这就促使卢瑟福在1920年提出大胆的却是经过深思熟虑的新假说:“在某些情况下,也许有可能有一个电子更加紧密地与氢核结合在一起,组成一种中性的双子.这样的原子也许有很新颖的特性.除非特别靠近原子核,它的外场也许实际为0.结果它有可能自由地穿透物质.它的存在也许很难用光谱仪进行检测,也许不可能把它禁闭在密封的容器里.换句话说,它应很容易进人原子结构内部,或者与核结合在一起,或者被核的强场所分解.’川要解释重元素核的组成,这种原子的存在看来几乎是必需的.”这就是著名的卢瑟福中子假说.
为了检验卢瑟福的假说,自1921年起卢瑟福的学生查德威克历经n年终于在1932年找到了确切的证据.他对披特别感兴趣,因为被在a粒子轰击下是不发射质子的,据说被矿往往含有大量的氦,也许被核在辐射的作用下,会分裂成两个a粒子和一个中子.查德威克安排他的学生继续对被进行辐射,做了大量实验,实验曾一度出现有利的证据,但由于放射源不够强,信号太弱,无法做出判断.
据查德威克回忆,当他读到约里奥?居里报道被辐射的惊人特性的文章时,他把这一看法告诉了卢瑟福.卢瑟福喊道:“我不相信.”卢瑟福的潜意识是认为很可能这里出现了多年想寻找的中子!查德威克立即用准备好的针源和新的探测仪器做了几天紧张的实验.1932年2月17日,查德威克给《自然》杂志写了一篇通讯,题为“中子可能存在”,这时离约里奥?居里夫妇的论文发表不到一个月.接着,查德威克在《英国皇家学会通报》上发表了题为“中子的存在”一文,详细报告了实验结果及理论分析.他首先证明高速质子流并非来自石蜡一类的含氢成分,因为即使不含氢的材料也会产生高速质子流,其中必有蜕变过程.他再用吸收法测质子的能量,测量值约为6.7MeV.根据能量守恒定律推算,被辐射如果是了射线,下光子应具有的能量为55Mev.用同样的被辐射轰击氮,推算氮原子的反冲能量最大为。.朽MeV,但实验得到的数据却是1.2MeV,不满足能量守恒定律.查德威克在论文中写道:“显然,在这些碰撞过程中,我们要么放弃应用能量与动量守恒,要么采用另一个关于辐射本性的假设.如果我们假设这一辐射不是量子辐射,而是质量与质子几乎相等的粒子,所有这些与碰撞有关的困难都会消除.”查德威克进一步用云室方法测定了中子的质量,结果与质子的质量非常接近.再根据质谱仪的数据推算,得到中子质量的精确值为1.0067u.各方面的事实充分证明了中子的的确确存在着.
发现中子的意义主要表现在三方面:第一是为核模型理论提供了重要依据,从此核物理学进人了一个崭新的阶段;其次是激发了一系列新课题的研究,引起了一连串的新发现,其中最重要的是人工放射性、慢中子和核裂变;第三是打开了核能实际应用的大门.在研究原子核性质的过程中,人们逐渐知道了核子之间具有的核力是一种强相互作用.核力是一种短程力.作用半径接近于1.5只10一’sm,在这个范围内其强度量级相同,超过这个范围其强度减少到可以忽略的程度.原子核内的质子间存在着强大的静电斥力,个别粒子能够以7MeV的能量相结合,显然不是电磁力或引力作用的结果,1934年10月,日本的汤川秀树提出了核力的介子理论,解决了核力难题.他认为:电子与电子之间的库仑力,是由于一个电子放出的光子被另一个电子接收,这两个电子之间就发生了库仑相互作用,由于这种光子没有离开电子,故称之为“虚粒子”;在核子间一个质子和一个中子通过交换一个“虚粒子”而间接作用,这表示它们都是“交换力”,即核力也是“交换力”,且随它们之间距离的变化而变化.汤川秀树根据核力的作用距离,估算出这种交换的“虚粒子”的质量约为电子质量的200倍,介于电子和质子之间,故称之为“介子”.
20世纪4。年代以后,获得的强子的数目大大增加.20世纪勃年代的电子散射实验表明,质子和中子都不是点粒子,中子内部有着正电和负电的一定分布.19以年盖尔曼提出“夸克”模型.他认为,所有的基本粒子都由三种更为基本的“夸克”粒子组成,分数电荷从此登上历史的舞台.“夸克”是模仿一首长诗中形容的海鸟叫声,似乎有点怪异,或许是该模型的缔造者对分数电荷尚存疑惑吧.20世纪70年代初,用高能量的电子轰击质子的实验为“夸克模型”找到了证据.

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