下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
在原子核被发现之前，人们广泛接受的原子图像是汤姆逊在发现电子后描绘的。在汤姆逊这个“葡萄干蛋糕”般的原子模型中，电子镶嵌在填满了整个原子的带正电的区域中。模型中的电子好比葡萄干，而弥散的正电荷则是松软的蛋糕。
为测试这一模型，卢瑟福决定用粒子作为“炮弹”，将其从靶原子上反弹（散射），从而直接探测原子的结构。在卢瑟福的主导下，新西兰人欧内斯特·马斯登（Ernest Marsden）和德国人汉斯·盖格（Hans Geiger）进行了一系列涉及放射性衰变的突破性实验。当时已经知道，在一些放射性衰变中会释放出一种带正电的大质量粒子，其质量约为质子的4倍。卢瑟福将这种粒子命名为阿尔法粒子（alpha particles，α），并使用它们作为“炮弹”轰击靶原子。实验选择的对象是金箔中的金原子。
卢瑟福团队所使用的仪器值得我们细看，因为它是粒子物理学后来所有散射实验的原型，见图2-1（a）。仪器主要的组成部分有：一个台式计算机大小的圆柱体金属盒（散射室）和其内部的阿尔法粒子源；作为靶的金箔；一个装有硫化锌屏幕的显微镜。为了最大限度降低阿尔法粒子与空气中气体分子之间的相互作用，需要排出金属盒内的绝大部分空气。金属盒和显微镜被固定在一个平台上，可以围绕位置固定的金箔和放射性源旋转。阿尔法粒子在经过一个狭缝后形成一束，被导向金箔。通过旋转显微镜，操作者能够在屏幕上观测到被散射的阿尔法粒子的分布，也就是被金箔偏转至不同角度的阿尔法粒子的数量。硫化锌屏幕像阴极射线显像管一样，在被散射出的粒子击中时会闪烁光芒，见图2-1（b）。仪器仅由一人操作，操作者必须在实验开始前令双眼习惯黑暗，才能在实验中发现屏幕上非常微弱的闪光并对其进行计数。现代粒子物理学实验中使用的仪器庞大而复杂，它们的体积像建筑物一样，需要数百甚至数千位物理学家、工程师、计算机科学家和技师合力建造并维持运行。这种急剧膨胀的尺度是为了研究越来越小的物体所付出的代价。
图2-1 盖格和马斯登实验中用到的仪器示意图
注：（a）仪器纵截面；（b）散射室横截面，图中展示了被散射的阿尔法粒子。
在汤姆逊模型的理论框架下，阿尔法粒子受到电子影响的偏转应当小到可以忽略不计，因为阿尔法粒子的质量是电子质量的约8 000倍。这好比将一颗非常重的球，扔向另一颗轻得多的球；如果将健身房使用的实心球扔向一颗网球，实心球的方向不会因撞击网球而改变多少。同样的道理，阿尔法粒子受到金原子中正电荷的影响所出现的偏转预计会非常小，因为汤姆逊模型中的正电荷分布在整个原子中，等同于受到了稀释。
然而，在散射阿尔法粒子的实验中，盖格和马斯登观察到的却不是这样。尽管大部分阿尔法粒子的偏转角非常小，但也有一小部分阿尔法粒子的偏转角非常大，其中一些几乎是反方向弹回。卢瑟福将这描述为“几乎像对着一张卫生纸发射15英寸（约38.1厘米）的炮弹，然后被它弹回来打中一样不可思议”。他认为实验的结果表明，原子中的正电荷和原子的大部分质量全都集中在中心一块非常小的区域。这一发现为玻尔原子模型和原子物理学的诞生开辟了道路。
卢瑟福和他的同事为检验模型设计的实验，得到了出乎意料的结果，他们基于这些结果构建出一个新的原子模型。模型带有可以被检验的预言，随后该预言也得到了确认。要想研究一个物体的结构，需要用到比它更小的探针。为什么阿尔法粒子是适合探索原子结构的探针呢？正如我们无法用手指探索一颗沙砾的结构，光学显微镜也无法被用来研究任何尺寸比可见光的波长（通常在10 -6 米左右）更小的物体。光学显微镜可以用来研究单细胞生物等“生物样本”，而不是原子。为了对汤姆逊模型进行测试，科学家必须找到一种波长远小于10 -10 米的探针，因为这是原子的尺寸。
阿尔法粒子之所以满足被当作探针的条件，是基于波粒二象性（wave-particle duality）这一后来出现在量子理论中的粒子的基本特性。所有粒子都具备波的性质，与此类似，所有波也都具备粒子的性质。波粒二象性对所有物体都成立，包括你我这样的宏观物体，但它只在物质的量子层面才有显著效应。在第1章中，我将电磁波称为光子，暗示过这一特性。波粒二象性的一个明显证据是一束通常被看作粒子的电子在穿过晶体时会改变方向。这种被称为衍射（diffraction）的现象在光学中很常见，通常与光作为波的性质有关。
在量子理论中，粒子的动量（其质量与速度的乘积）和相应的波的波长之间存在着非常简洁的关系。波长与动量成反比，动量加倍意味着波长减半。寻找一个波长足够短的探针等同于寻找一种动量足够大的粒子，这也意味着能量要足够高。我们可以通过 E =10 -6 / λ 进行近似的计算，这里的希腊字母 λ 是以米为单位的波长，而 E 是以电子伏特为单位的能量（能量使用的单位参见下方的专栏）。比如，若想探索10 -12 米的尺度，需要能量约为100万电子伏特的探针。放射性衰变中释放的阿尔法粒子的能量恰好处在这个范围。
在科学研究中，为了进行有意义的定量对比，我们需要保证被比较的物理量以相同的单位表示，且这些单位的大小适合于当前的目的。以能量为例，营养学家用卡路里为单位衡量能量，而电力公司则使用千瓦时衡量能量。两者都与焦耳（J）有关，这是国际单位制中的能量单位。粒子物理学中用来衡量能量的单位是电子伏特（eV），指一个带有单位电荷的电子经过1伏特的电压加速后所获得的能量。通过 E = mc 2 ，我们可以用eV/c 2 作为单位表示粒子的质量，以eV/c为单位表示粒子的动量，这里的1 eV/c 2 等于1.78×10 -36 千克，是非常小的质量。由于电子伏特的单位非常小，常用的还有千电子伏特（keV，1 keV=10 3 eV），兆电子伏特（MeV，1 MeV=10 6 eV），吉电子伏特（GeV，1 GeV=10 9 eV）以及太电子伏特（TeV，1 TeV=10 12 eV）。