1906年湯姆遜因為電子的發現獲得諾貝爾物理獎，他是劍橋大學卡文迪許實驗室主任和三一學院院長。1919年,他辭去卡文迪文迪許實驗室主任的職務,并且推薦他的學生盧瑟福作他的接班人，盧瑟福擔任了卡文迪許實驗室主任以后,開展的第一件重大的科研工作,就是解剖原子核。
可是,一個金原子核的半徑只有0.00000000003厘米,哪里去找一把能切開它的鋒利的小刀呢?他回想起他和蓋革一起作過的a粒子散射實驗。當時發現有極少數的a粒子會反彈回來,說明這些a粒子是正對著金原子核撞去的,只是由于受到同性電荷的斥力而被彈了回來。能不能設法使a粒子克服斥力,打在原子核上呢?這需要兩個條件。
第一,a粒子的速度要足夠大,盧瑟福選用了鐳C′（由鐳蛻變生成的即原子量為218核電荷數為84的釙的同位素)放出來的a粒子,它的速度達到19200公里/秒。
第二,同性電荷的斥力的大小與電荷的多少成正比,金原子核有79個單位陽電荷,所以斥力很大。要使a粒子能打到原子核上,這個原子核的陽電荷越少越好,所以要選用列在周期表前面的一些元素。
盧瑟福作了一個可以抽真空的黃銅罐子,罐中放著一片涂有鐳C′的小片,它不斷地射出快速的a粒子。正對著這個小片的銅罐一端,有個小窗口,窗口上涂著硫化鋅。如有a粒子射在窗口上,窗口就會發出閃光。
盧瑟福已經知道放射性元素放射出來的a粒子,在空氣中只能通過一定的距離,這叫做a粒子的“射程”。不同的放射性元素放射出來的a粒子的射程是不一樣的,鐳C'放射的a粒子在空氣中能射7厘米遠。在銅罐中涂有鐳C'的小片離硫化鋅窗口要比7厘米遠一些,所以a粒子剛好射不到硫化鋅上,在一般情況下,窗口不會發出閃光。（用硫化鋅發光檢測微粒最早的發明者是高壓放電管發明者克魯克斯）盧瑟福讓他的助手馬斯登抽掉罐中的空氣,換上各種不同的氣體來研究。
有一天,馬斯登向盧瑟福報告了一個新發現:在罐內充了氫氣,本來不發閃光的硫化鋅窗口上出現了閃光。但是這閃光和a粒子所發出來的閃光不一樣,可能是一種新的粒子。這種新的粒子是什么呢?用湯姆遜的方法作實驗證明,這是一種穿透力很強的速度比a粒子更快的粒子。它不是別的,原來就是失去電子的氫原子——氫核。
解釋是這樣的:快速的a粒子正對著氫原子核碰去,就象我們彈玻璃球一樣,一個球彈在另一個球上,就把另一個球彈開了;由于a粒子的質量是氫核的四倍,所以碰撞以后,氫核以更大的速度彈開去了。這個實驗證明,a粒子確實打到氫原子核上了。
馬斯登繼續作實驗。
他換上了二氧化碳氣和氧氣,這時候,硫化鋅窗口不發生閃光。看來氧核和碳核都比較重,即使受到α粒子碰撞,也彈不遠。換上了氮氣以后,窗口上又出現閃光了。難道是a粒子推動了氮原子核嗎?這不可能,因為氮原子核的質量要比a粒子大兩倍多。
進一步的研究表明,引起硫化鋅閃光的還是氫原子核。這又是一個重大發現,盧瑟福的助手們都跑來看,大家熱烈地討論了這個現象。有人提出來:這是a粒子撞擊了氮原子核,從氮原子核中打出來的氫原子核。
“這是可能的。”盧瑟福說:“但是,現在下這個結論還早了一點。誰能保證我們用的氮氣中沒有混入一些氫氣或水氣呢?要知道,一個水分子中有兩個氫原子,a粒子打到水分子上,也會把氫原子打下來。那就是擊破了分子,而不是擊破了原子核。”
科學是不容許一點馬虎的。
助手們開始更仔細地作起實驗來。他們把氮氣中的水氣和可能存在的氫氣都排除干凈以后,再把它充到銅罐內去作實驗。結果在a粒子的轟擊下,還是出現了高速的氫原子核。氮原子核真的被a粒子打破了!
是不是還可以打破一些別的元素的原子核呢?他們改裝了儀器,又作了不少實驗。結果發現,用a粒子射擊氖、鎂、硅、硫、氯、氬和鉀,都會打出高速的氫原子核來。
原子核被打破了!在各種元素的原子核里面,都打出了氫原子核。這說明氫原子核是各種元素的原子核的重要組成部分。
盧瑟福給氫原子核起了一個專門名字一一質子。a粒子射中氮原子核,放出來質子,那么氮原子核變成什么了呢?a粒立子又到哪里去了呢?這些問題,在當時人們還不太清楚。又過了幾年才通過科學實驗證明:a粒子打到氮原子核里去了,在放出高速質子的同時,氮原子核變成了氧原子核。
這是一件非常了不起的大事。
古時候的煉金術士早就想把一種元素轉變成另一種元素,希望能點石成金,他們始終沒作到。而如今,在盧瑟福的實驗室中,第一次實現了這個古老的幻想。這是第一次實現的人工核反應。
1919年,盧瑟福打開了原子核,發現核里面有質子,質子就是氫原子核。這就使人們想起一百多年前的一個假說。
這個假說是在1814年由英國的青年醫生普勞特提出來的。他認為各種元素的原子都是由不同數目的氫原子組成的,所以各種元素的原子量都應該是氫的原子量的整數倍。也就是說:氫原子才是最基本和最簡單的物質。
他的假說發表以后,有的科學家贊成,有的科學家反對。贊成派和反對派為這個問題爭論了一個世紀。
那時候,人們都相信道爾頓提出的觀點:同一元素的原子,質量是完全一樣的。當仔細測定了各種元素的原子量后,發現不少元素的原子量并不是氫的原子量的整數倍,例如氯的原子量是35.5,就不是整數。（現在我們知道這35.5其實是同位素的平均原子量）反對派們有實驗為根據,宣布普勞特的假說是胡說八道。
到了二十世紀,贊成派慢慢地占了上風了。盧瑟福的發現成為他們更有力的證據:許多元素的原子核里都有氫原子核——質子。
但是,有些元素的原子量不是氫的原子量的整數倍,這又怎樣解釋呢?
就在盧瑟福發現核中有質子的同一年,湯姆遜的助手阿斯頓也作出了新的貢獻。他設計了一種新儀器名叫質譜儀。這種儀器可以把不同質量的原子分開,并且分別“稱出”它們的質量。他研究了各種元素,結果發現大多數元素都有不同質量的同位素。
更有意思的是,他發現各種元素的同位素的質量,差不多都是質子的質量的整數倍。
阿斯頓的儀器不僅能測定每一種同位素的質量,而且能測出某一種元素中幾種同位素含量的百分比。他發現氯有兩種同位素:一種的質量是質子的35倍C1-35;另一種的質量是質子的37倍Cl-37。他還測出在天然的氯中,Cl-35占75.4%,而Cl-37占24.6%天然的氯是由兩種質量不同的同位素組成的,那么氯原子的平均質量是多少呢?
計算得出35×75.4%+37×24.6%=35.5也就是說,氯原子的平均質量是氫原子的質量的35.5倍,正好和過去測定的結果一致。
35.5的謎解開了。普勞特的假說又復活了。普勞特是對的,而道爾頓的關于同一元素的原子質量完全一樣的觀點錯了。
但是要承認普勞特的假說是科學真理,也還有一些問題沒有解決。普勞特的假說認為各種元素的原子都是由不同數目的氫原子組成。
按照普勞特的觀點,當然就應當認為各種元素的原子核都是由不同數目的質子組成的。已經測定了,一個氫原子核一個質子帶有一個單位陽電荷,一個氦原子核即a粒子帶有兩個單位陽電荷,一個氧原子核帶有8個單位陽電荷。可是,個氦原子核的質量是質子的4倍,一個氧原子核的質量是質子的16倍。要是認為氦原子核是由4個質子構成的,質量對了,但是電荷的數目不對,少了2個陽電荷。如果認為氧原子核是由8個質子組成的,電荷數目對了,但是質量又少了一半。這個矛盾究竟應當怎祥解釋呢?
還有一個問題:由于同性電荷相斥,幾個帶有陽電荷的質子應該是很難結合在一起而形成較重的原子核的。可是在各種化學元素中,除氫之外,其他元素的原子核的質量都比質子大,從大幾倍一直到大二百多倍。這又怎樣解釋呢?
1613年居里夫人提出的一個原子核的模型:原子核是由陽電荷和電子組成的。顯然,這陽電荷就應該是質子。
在過去,人們認為構成宇宙間萬物的基本磚石是化學元素,是各種原子。而現在,情況變了,人們發現構成宇宙間萬物的基本磚石只有兩種—質子和電子。各種元素的原子,不過是由這兩種基本磚石造成的預制件。把這些預制件以各種形式搭配起來,就可以建成千變萬化的物質世界
用這兩種基本磚石是怎樣造成預制件的呢?科學家們提出了質子—電子模型。
第一號預制件就是氫,它是由一個質子的核心和繞著質子旋轉的一個電子構成的。
第二號預制件是氦,它的核是由四個質子和兩個電子組成的。一個質子帶有一個單位陽電荷,一個電子帶有一個單位陰電荷,在氦原子核中,兩個電子的陰電荷中和了兩個質子的陽電荷,所以氦原子核顯示出來的是兩個單位陽電荷。而繞著氦原子核轉的電子相應的也正好是兩個。
在原子核中,帶陰電荷的電子象膠水一樣把較多的帶陽電荷的質子粘在一起。科學家們非常簡單地把些困難問題都解決了。
只要有質子和電子,就能搭配成各種預制件。例如,周期表上第8號元素氧是O-16。顯然,它的原子核要用16個質子和8(16-8=8)個電子組成,而核外的電子是8個。周期表中第17號元素是氯。阿斯頓發現氯有兩種同位素,所以這種元素又分為兩種原子:一種是C1-35,它的原子核是由35個質子和18(35-17=18)個電子構成的;另一種是Cl-37,它的原子核是由37個質子和20(37-17=20)個電子構成的。這兩種原子外圍的電子數都是17。
這一切是多么簡單啊!只要用最簡單的加減法就能解決問題。
包括天然放射性元素可以看做是一些大型預制件。釋放出α氦粒子流或β電子流而轉變成其它元素也能成功解釋。釋放出氦粒子流，原子核的質量數就減少4、陽電荷數就減少2其結果是這種元素就蛻變為原子序數比它少2的另一種元素。
88號元素鐳放出a粒子，蛻變成86號元素氡,86號元素氡放出a粒子就蛻變成84號元素釙。
β射線是帶一個單位負電荷的電子，質量約是質子的1836分之一，一種放射性元素放出β射線后的原子核的質量數幾乎不變,而原子核帶的陽電荷數增加1，結果就蛻變為原子序數增加1的另外一種元素。比如89號元素錒放出β射線以后,就蛻變成90號元素釷。
那么,把a粒子打到一個原子核中去的人工核反應,情況又是怎樣呢?比如盧瑟福把a粒子打到氮原子核中去,打出了質子,氮原子核會變成什么呢?按照質子——電子模型,這個人工核反應可以表示為4He+14N→17O+1H
也就是說,氮原子核變成了氧原子核。這種原子核的質子—電子模型看來好象很合理,不僅對原子核的質量數和電荷數都解釋得很好,而且對天然放射性和人工核反應也解釋了。人們說原子核中有電子,似乎也是有道理的,因為天然放射性元素的確會放射出電子流β射線。
但是,直到1932年英國科學家查德威克發現了中子，他是在研究和改進盧瑟福α射線轟擊實驗的基礎上獲得的成就，終于否定了這種質子-電子的核結構模型。
