原子行星模型

核宝：“1910年，欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）提出了新的原子结构——原子行星模型，这个理论推翻了他的老师汤姆生的‘葡萄干蛋糕模型’。卢瑟福指出，原子的大部分质量和正电荷都集中原子中心的原子核内，而带负电的电子则围绕在原子核周围运动，如同行星围绕着太阳运动一般。”

“接下来，就让我们看看Q奇在卢瑟福那学习请教的故事吧！”

Q奇：“卢瑟福教授，我又回来拜访您了！听说您提出了原子行星模型，可以和我讲述一下您是如何得出这个理论的吗？”

那我们就直接切入正题吧！还记得我的老师汤姆生提出的葡萄干蛋糕模型吗？按照他的想法，原子就像一个内部漂浮着带负电电子的正电荷海洋。因为电子的直径很小，所以理论上说，当α粒子穿过原子时，它应该能不受电子的干扰或阻挡。

于是我让我的学生盖革（Hans Geiger）和马斯登（Ernest Marsden）向金属箔发射α粒子，通过观察α粒子的运动情况，来验证原子的内部结构。

阿尔法：通过观测荧光屏上的发光位置，我们就可以观测α粒子击打金属箔后的运动情况了。

Q奇：这个实验的结果是？

我们观测到击中金属箔的α粒子产生了与我们预期不同的三种运动：

1.大多数α粒子在没有太大偏差的情况下通过了箔片；

2.少量颗粒被箔偏转，而且这种偏转非常小；

3.极小部分的颗粒产生了大角度（大于90°）偏转，其中有一些甚至偏转角度大于 150°。

Q奇：“有些α粒子不仅没有径直穿过去，甚至产生了大角度偏转？是因为α粒子在原子内撞上了什么东西，从而发生了反弹吗？”

你说的没错，但这样的结论还不够完善。我们其实可以从这个实验现象中得出三个结论：

1.大多数α粒子没有偏离，说明原子的绝大部分是空的；

2.小部分α粒子被大角度偏转，说明原子中心应该有很强的带正电排斥力；

3.大角度偏转的α粒子占比非常少，说明原子中带正电荷的区域，与原子整体的体积相比非常小。

由此我推断，原子中心有一个带正电的原子核，它的周围被电子包围，就像行星一样，于是我称它为原子行星模型。

Q奇：这可真是一个生动形象的比喻！虽然肉眼看不见，但听到这个名字，我就已经能快速想象原子内部的结构了。

可这样的结论，在当时的学界被认为“太超前”。所以在那之后我又思考了一两年，并做了大量的实验和理论计算。最终我才大胆地推翻了汤姆生老师的葡萄干蛋糕模型，并正式提出了原子行星模型。

不过我的理论还是存在漏洞，因为我还无法解释电子为何能稳定地待在核外，而不是被带正电的原子核吸引。

Q奇：但您大胆的科学想法，依然是从实验事实出发，并科学地进行过计算。我很欣赏您严谨的态度！

卢瑟福：谢谢你！话说回来，我还有一位叫尼尔斯·玻尔的学生，他对电子在原子中的排列也颇有研究。我相信他会分享更多有关这方面的前沿知识给你。

小百科——半太郎的“土星模型”

在汤姆生提出“葡萄干蛋糕模型”的同一年，日本物理学家长冈半太郎也提出土星型有核原子结构，并被后人称作“半太郎土星模型”。半太郎认为，带正电子的核心在原子中间，周围环绕着若干电子，类似土星和土星环的状况。

长冈半太郎对于电子的类土星环轨道的想法源于苏格兰学者詹姆斯·麦克斯韦对土星行星环的稳定理论——即土星环能稳定存在是因为土星质量极大。“半太郎模型”成功预言了原子存在一个质量极大的原子核，就像极大质量的行星。