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放射性的发现就更使人迷惑了。铀、钍、镭等放射性元素会不停地放出强力的射线，这种射线是怎样产生的？是什么物质？尤其是居里夫妇发现的镭，就显得更加奇妙了，它不仅发出强力的射线，还能发出光来，甚至能使附近的空气的温度升高几度。难道物质能凭空产生吗？难道能量能凭空产生吗？物理学的基本定律是不是也出了问题？
新的发现提出了新的问题，而这些新的问题把一些科学家们难住了。前面提到过的法国的彭加勒院士就是其中的一位。他把一切都看得很简单，他曾经企图解释X射线的来源，但是他错了；接下来发现了放射性，就使他更加糊涂，没法解释了。他惊慌失措地说：物理学出现了新的危机了，镭的发现推翻了能量守恒原理，电子的发现推翻了质量守恒原理，一切物理学的基本定理通通垮台了。
大多数的科学家不同意这种悲观的论点。他们相信，在新发现的这些奇妙现象后面，隐藏着一个人们还不认识的物质世界，人们当然还不了解这个新的物质世界的规律。摆在大家面前的任务不是胡思乱想，而是通过严密的科学实验去逐步地揭露这未知世界的奥秘，去总结新的科学规律。
这新的世界就在原子里面。原子不是不可再分的了，对人类紧闭着的神秘的原子的大门，已经打开了一条缝。从这条缝里跑出来了电子，还有放射线。
人类进人20世纪以后，在许多科学家的共同努力下，终于打开了原子的大门。
（二）
放射线是什么？
前面已经讲了，贝克勒耳发现了放射线，居里夫妇又作出了新的贡献。放射线本身究竟是什么呢？这正是当时科学界最关注的大问题。下面我们来讲一下另一位伟大的物理学家卢瑟福的工作。
1895年，就在伦琴发现X射线的那一年，年轻的卢瑟福从新西兰远渡重洋来到英国，到有名的卡文迪许实验室学习和工作。汤姆逊热情地欢迎了他。
一开始，他研究刚发现的X射线。当贝克勒耳发现放射线以后，在汤姆逊的建议下，卢瑟福立即转而研究放射线。
卢瑟福把铀装在铅罐里，罐上只留一个小孔，铀的射线只能由小孔放出来，成为一小束。他用纸张、云母、玻璃、铝箔以及各种厚度的金属板去遮挡这束射线，结果发现铀的射线并不是由同一类物质组成的。其中有一类射线只要一张纸就能完全挡住，他把它叫做“软”射线；另一类射线则穿透性极强，几十厘米厚的铝板也不能完全挡住，他把它叫做“硬”射线。
正在这时候，居里夫妇发现了镭，并且用磁场来研究镭的射线。结果发现在磁场的作用下，射线分成两束。其中一束不被磁场偏转，仍然沿直线进行，就像X射线那样；另一束在磁场的作用下弯曲了，就像阴极射线一样。
用磁场研究射线，在卡文迪许实验室里可是拿手好戏，实验室主任汤姆逊在不久之前就是利用磁场、电场来研究阴极射线而发现电子的。居里夫妇的研究情况传到了英国，卢瑟福立刻用更强的磁场来研究铀（这时他手中还没有新发现的镭）的射线。
结果，铀的射线被分开了，不是两股，而是三股。新发现的一股略有弯曲，卢瑟福把它叫做α（阿耳法）射线；那一股弯曲得很厉害的叫做β（贝他）射线；不被磁场弯曲的那一股叫做γ（伽玛）射线。
卢瑟福分别研究了三种射线的穿透本领。结果是：
α射线的穿透本领最差，它在空气中最远只能走7厘米。一薄片云母，一张0。05毫米的铝箔，一张普通的纸都能把它挡住。
β射线的穿透本领比α射线强一些，能穿透几毫米厚的铝片。
γ射线的穿透本领极强，1。3厘米厚的铅板也只能使它的强度减弱一半。
这三种射线是什么物质呢？
居里用汤姆逊研究阴极射线的方法去测定了β射线，证明了β射线和阴极射线性质一样，是带阴电的电子流，只不过速度更快一些。
γ射线和X射线类似，都是波长非常短的电磁波。
α射线是什么呢？一时还不清楚。
由于α射线和β射线在磁场中弯曲的方向相反，显然α射线带的电荷和β射线正相反，α射线应该是带阳电（正电）荷的粒子流。
卢瑟福用了几年时间专心研究α射线，最后才证明α射线是失去两个电子的氦原子（氦离子）流。这段故事在下面再讲。
放射性“传染”
1899年，年轻的科学家欧文斯在卢瑟福指导下开始进行科学研究。
卢瑟福想，他自己已经研究过铀的放射性了，何不叫欧文斯研究一下钍的放射性呢！
欧文斯用钍在卢瑟福研究铀的仪器上做实验。一开始，卢瑟福没有来。几天以后，卢瑟福听了欧文斯的报告，来到了实验室。
师徒两人都戴上大口罩，还把实验室的门窗关得紧紧的。难道他们都伤风了吗？不是。
原来，欧文斯的实验一开始就不顺利。铀的放射性强度很稳定，而钍的放射性强度老是变来变去，实验室一开门，窗口吹来一阵风，甚至呼一口气，钍的放射性都会变。所以卢瑟福要亲自来观察这个怪现象。
因为气流会影响钍的放射性，所以他们关紧门窗，戴上口罩做实验。这时候，钍的放射性似乎是稳定的。欧文斯故意开了开门，卢瑟福看到仪器立刻显示出放射性的变化。门关好了，放射性又慢慢稳定下来。
卢瑟福轻轻地把钍由仪器中拿了出来，奇怪的是，仪器显示出仍然有放射性存在。吹上一口气，放射性又消失了。
看来，钍似乎有传染性，它把空气传染上了放射性。但是铀为什么没有传染性呢？
反复实验的结果，说明这种现象不是什么“传染性”，而是由于钍中放出来了一种气体。这种气体本身也有放射性，它不断放出α射线，卢瑟福把这种由钍放出来的放射性气体叫做“钍射气”。
说来也巧，发现钍射气的第二年，居里夫妇指导学生多恩研究镭，发现镭也会传染放射性。这就是说，镭也在放出一种放射性气体，这种气体当时叫做“镭射气”。
卢瑟福知道了这个消息十分兴奋，立刻又去研究镭射气。他收集了两种射气进行比较，发现镭射气的放射性很快就消失了，而钍射气的放射性可以维持几个星期。
镭射气是什么？放射性消失以后，镭射气又变成了什么？卢瑟福和他的另一位同事索地应用光谱研究了镭射气。他们发现，镭射气原来是一种新的气体元素，他们给它命名为氡。镭射气在不断消失，变成了固体物质而沉积在容器的表面，同时，它又不断地产生出另外一种气体——氦。
α射线
氡是放射α射线的，氡又会不断地消失变成氦，人们很自然地推测α射线可能就是氦。但是推测不等于事实，这要用实验来证明。
做这个实验，首先要抓住α射线，然后才能检验它是不是氦。为了这个目的，卢瑟福设计了一个非常巧妙的实验。
卢瑟福知道α射线可以穿透很薄的玻璃，厚的玻璃就穿不过了。他把放射α射线的物质，例如钋或氡，封在一个很薄的小玻璃管里；这个小玻璃管的壁非常薄，钋或氧放射的α射线可以穿过管壁跑出来。
他把这个管壁薄的装有钋或氡的小玻璃管装在一个管壁厚的大一些的玻璃管里，然后把大玻璃管抽成真空。
钋或氡不断地放射出α射线，α射线穿过薄玻璃管壁跑出来，但是碰到外层的厚玻璃管壁时就跑不出去了。α射线被抓住了！
几天以后，在两个玻璃管之间的夹层中已经捕捉到一定数量的α射线了。在厚玻璃管两端预先封好的电极上通上高压电，管中发出黄色的辉光，用光谱仪检验，真的是氦。
α射线原来就是氦，但是并不是普通的氦原子，因为α射线是带阳电荷的。卢瑟福进一步证明，α射线是带阳电荷的氦离子流。它们一粒粒地由放射性元素内部射出来，速度非常大。因此，人人常常把α射线叫做α粒子。
卢瑟福这个实验是1909年做的。
古代希腊哲学家认为物质的最小微粒是原子。“原子”这个词，在希腊文中就是不可再分的意思。道尔顿在1803年提出：元素是永恒不变的，元素的最小粒子就是不可再分的原子。才过了100多年，人们发现这种观点不对了，元素不是永恒不变的，新发现的放射现象正是由一种元素蜕变成为另一种元素的过程。
这可不是毫无根据的瞎说，因为人们已经亲眼看到镭中产生了氡，氡又变成了氦。
既然元素会变，那么，元素的最小粒子——原子也就不可能是坚硬的不可分割的小球了，原子一定有更复杂的结构。要弄清楚一种元素是怎样变成另一种元素的，首先要知道原子到底是什么样的。
果子面包
前面已经讲了，汤姆逊发现在各种元素的原子中都有电子，可是在原子中，电子是怎样安排的呢？
汤姆逊总结已经发现的事实，在1904年第一个提出了原子结构的理论。
他想象原子是一个均匀的带阳电的球，在这个球里面，飘浮着许多电子。这许多电子带的阴电，正好和这个球所带的阳电相等，所以整个原子是中性的。如果失掉了几个电子，这个原子的阳电荷就过多了，形成阳离子；如果多了几个电子的话，这个原子的阴电荷就过多了，形成阴离子。
汤姆逊的原子模型有点像果子面包，整个面包好像一个原子，面包里的葡萄干好像电子。
人们发现，β射线就是快速运动的电子，它能够穿透几毫米厚的铝片，也就是说，电子能穿透原子。如果原子是道尔顿所认为的那样坚硬的小球的话，电子就没法穿过了。但汤姆逊用他的模型解释了这个现象，他认为，比起原子来，电子的体积是极小的，在原子里面电子之间的空隙很大，所以速度非常快的电子可以穿过空隙跑过去。这种情形可以比作一粒快速的葡萄干打穿了果子面包。
原子里面的电子之间的空隙就那么容易穿过吗？汤姆逊认为，带阳电荷的球是没有质量的，只有带阴电荷的电子才有质量。汤姆逊已经测量出来电子的质量差不多是氢原子质量的1／2000。既然原子中只有电子有质量，那么一个氢原子中就应该有差不多2000个电子。氦原子的质量是氢原子的4倍，那么一个氦原子中就会有8000个左右的电子！更重的元素的原子中的电子，数目就应该更多了。
能有这样多的电子吗？还有，α粒子也能穿过很薄的金属箔。这又怎样解释呢？
α粒子是失去两个电子的氦原子，按汤姆逊的模型，那就是一块掉落两粒葡萄干的小面包。一块小面包打在大面包（金原子）上，不管速度有多大，很难想象怎么能穿透过去。
看来，汤姆逊的果子面包原子模型有很多问题。
卢瑟福的小太阳系
卢瑟福已经对α射线进行了多年的研究，他一直在考虑α粒子在穿透很薄的金箔时发生的怪现象：它们绝大多数笔直地穿过了金箔，有极少数穿过金箔之后却改变了方向。这些α粒子为什么会改变方向呢？
高速前进的α粒子会转弯，看来是碰到了什么障碍物。这种障碍物不会是质量极小的电子，而应该是体积非常小、质量足够大的一粒什么物质。这一粒物质，就在金原子中。
于是，探究原子深处奥秘的新的科学实验开始了。
这一天，卢瑟福和他的年轻助手盖革走进实验室，还有几个学生也来帮忙。实验室里装着新设计的仪器——中间是一片金箔，正对着金箔有一个装有放射性元素的小罐，α粒子成为一小束由罐口向金箔射去。金箔周围有一个大的有刻度的圆盘，上面装着一个能够沿着圆盘转动的闪烁镜。
闪烁镜是老科学家克鲁克斯在1903年发明的。这是一小片涂有硫化锌的荧光屏，要是有一个α粒子打在屏上，屏上就会发生一个小小的闪光。用放大镜进行观测，并且数出闪光的次数，就可以推算出α粒子的数目来。
窗上的黑色帷幕放下来了。在漆黑的实验室的一角点起一根小小的蜡烛，卢瑟福和学生们一起闲谈了一会，等候大家的眼睛习惯黑暗。
“可以开始了！”卢瑟福说。
盖革坐在仪器旁边，记下闪烁镜转动的角度后，睁大眼睛看着闪烁镜。
“记数！”卢瑟福看着时间。
“1、2、3、4……”盖革数着闪烁镜中出现的闪光的次数——α粒子的数目。
过了一定时间，卢瑟福说：“停！”这时候，盖革数到58，这就是在这段时间里偏转过来的α粒子数。
闪烁镜转到新的角度，实验重新开始。
过了一段时间，盖革的眼睛酸了。于是卢瑟福坐在仪器旁观测，盖革记时间，学生们也轮流帮助他们进行观测。
他们转了一个角度又一个角度，结果发现偏转角度越大，α粒子就越少。
最后，他们把闪烁镜转到α粒子源的同一边，观测又开始了。
经过较长的沉默以后，盖革数出了“1”，又过了一段时间，才是“2”
看！α粒子不但偏转，而且还在金箔上反弹了回来。
这些现象怎样解释呢？他们进行了热烈的讨论。
1911年3月的一天早晨，盖革正在实验室里整理仪器。他的老师卢瑟福兴冲冲地进来了。
“我知道了！”卢瑟福说：“原子到底是什么样的我知道了！原子确实有核，而且核是带阳电荷的。α粒子也是带阳电荷的，所以在接近带阳电荷的核的时候，由于同性电荷相斥而偏转了。”
卢瑟福接着解释实验结果：带阳电荷的核和整个原子相比是非常小的，所以大部分α粒子穿过原子中的空当，不受核的阳电荷的斥力的影响，只有极少数接近核的α粒子受到斥力作用而偏转，极个别的α粒子差不多正对着核撞去，在斥力的作用下被弹了回来。
过了几天，卢瑟福拿出理论计算公式给盖革看。他根据新的模型算出偏转到各种角度的α粒子的数目，和盖革的实验结果比较，基本上是一致的。
原子不像果子面包了，而像有核的桃子或杏子。但是这个比喻也不够恰当，因为和原子中的情况相比，核在整个果子中所占的体积就显得太大了。更恰当一点的比喻是像个小小的太阳系，中心是带阳电荷的原子核，外面绕着核转的是带阴电荷的电子。不同的是：在太阳系中，行星绕太阳转，靠万有引力；在原子中，电子绕着原子核转，靠异性电荷的吸引力。
1911年10月，卢瑟福在卡文迪许实验室科学年会上作了报告。他详细介绍了他们的实验，提出了新的原子模型。他通过理论计算，证明金原子的半径是0。000000016厘米，而金原子核的半径大约只有0。000000000003厘米。他指出，原子核的体积虽然小，但是原子的质量几乎全集中在原子核上。原子的质量越大，原子核带的阳电荷就越多，外围的电子数目也就越多。
精密的实验、严格的理论，使到会的科学家人人信服，都接受了卢瑟福的新的原子模型。
现在，这个模型比当时又发展了。原来，电子绕原子核运动并不像行星按固定的轨道绕太阳转。电子在原子核外面的运动有时分布成球形；有时分布成为对称的椭球或别的形状，这叫做“电子云”。
玻尔和莫斯莱的贡献
一个新的原子模型建立了，但是还不完善，还有许多问题。
按照卢瑟福的模型，带阴电荷的电子靠异性电荷的吸引力，围绕着带阳电荷的原子核运动。但是，一些物理学家提出了疑问。
他们指出，根据已经知道的电磁运动的规律，电子在运动的时候会放出电磁波（能量）。因此，绕着原子核旋转的电子，因为能量逐渐减小，应当沿着一条螺旋形的轨道转动，离中心的原子核越来越近，最后碰在原子核上。这样一来，原子就被破坏了。
实际上，原子很稳定，有一定大小，并没有发生这种电子同原子核碰撞的情况。这又怎样解释呢？
曾经作过卢瑟福的研究生的丹麦科学家玻尔研究了这个问题。他应用当时物理学中新发展起来的量子论，指出电子按着固定的轨道围绕原子核运动的时候是不会放出能量的，所以电子不会掉到原子核上去。他还指出，电子在原子核外面只能在一定的轨道上运动。他提出了核外电子排列的规律。这就是有名的玻尔模型。
卢瑟福也在继续指导他的助手做实验。他们用各种方法测定各种元素的原子核所带的阳电荷数。
1913年，他的学生莫斯莱发现元素在周期表上的排列次序，原来就是原子核带的单位电荷数。当然，在原子核外面也有同样数目的电子。他把元�