前面的文章我們已經說完了電子的發現過程，電子電荷值的測量，然後我們還根據電子的電荷值，算出了原子的質量，以及體積的大小。
當然，電子的發現，以及跟電子有關的所有的測量都告訴了我們，物質確實是由原子構成的，而且原子不是構成物質的最小單元，在其中還有一個帶負電的粒子，就是電子，這是組成所有元素原子的基本材料。
因此電子發現以後，基本上就沒有人在懷疑原子的真實性了。但接下來的問題又來了，既然原子存在，而且還有內部結構，那你就要說清楚原子的結構是怎樣的？
關於原子的結構，其實主要就是要說清楚三件事，它的質量是如何分佈的？它的正電荷是如何分佈的？質量和正電荷之間有什麼關聯？
那為什麼要解釋這三個問題？因為在湯姆遜測量出了電子的質荷比以後，我i們就推斷出了氫原子質量和電子質量的比值，大約是2000倍。
這個推算的過程很簡單，上節課我們就說了在法拉第時代就算出了氫原子和單位電荷的比值是10^-8千克/庫侖，現在湯姆遜測出了電子質荷比，所以就能算出氫原子和電子的比值了。
你看，一個相對原子質量最小的氫原子都比電子重了2000倍，我們還知道電子是原子中的一個基本材料，所以就要解釋其他的大部分質量是如何分佈的？
還有我們知道電子帶負電，而原子不帶電，這就說明在原子中除了帶負電的電子以外，還要有帶正電的東西才能保證物質的電中性，那這個帶正電的東西是啥？它又是如何分佈的？它跟原子的主要質量有啥關係？
這就是當時人們所面臨的問題，而解決這些問題的人叫歐內斯特·盧瑟福，1871年出生在紐西蘭，他是人類歷史上最偉大的實驗物理學家，在1895年到1898年這三年間在卡文迪許實驗室跟過湯姆遜，接觸並研究了X射線和元素的放射性，這是當時實驗物理學最前沿，最時髦的研究方向。
1898年的後半年就去了加拿大的麥克吉爾大學開始了獨立的工作，在這個地方待了9年的時間，研究的工作重點也是放射性，在這其間發現了元素的善變，以及半衰期，那盧瑟福也憑藉這個成就，獲得了1908年的諾貝爾化學獎。
1906年他就去了曼徹斯特大學工作，在這個地方，盧瑟福開創了核物理，粒子物理研究的一般方法，用阿爾法粒子作為探針，轟擊金箔，就瞭解了原子的內部結構，提出了廣為人知的行星原子模型。
1919年盧瑟福接替了老師湯姆遜的工作，成為了卡文迪許實驗室第四任掌門人。那在他的帶領下，就做出了人類歷史上第一臺加速器，他的學生查德威克發現了中子，他的學生考克羅夫特和瓦爾頓利用中子轟擊重核，誘發重核裂變，開啟了核物理時代。
所以說，盧瑟福的成就已經不是用諾貝爾獎能夠衡量的，其實他也把當時能獲得的所有獎項，榮譽都獲得了一遍，但這不是最關鍵的，再關鍵的是，他有一個稱號叫：諾貝爾幼兒園園長。因為在他的學生中，有11個人獲得了諾獎，估計這很難再被其他人超越了。
既然我們到了盧瑟福，那就把和他有關的重要發現都說一下，這就包括了人類對放射性的發現，以及研究，還有原子核的發現和原子核大小的測量，以及原子序數的發現，核電荷數的測量，這些問題。
說句實在話，這其實有點跑題了，我們的題目叫基本粒子，或者是粒子物理，這些其實都是核物理的範疇，我就不管了，反正都是科普，說啥都一樣。
我們就從放射性元素的發現開始，還記得最開始的時候我們說的陰極射線管吧，湯姆遜就是透過它發現電子的，還有陰極射線管末端的綠色輝光也非常的神秘，所以在當時陰極射線管是每一個實驗物理學家的必備玩具。
在當時德國維爾茨堡大學的實驗室裡也有這麼個東西，他的主人叫倫琴，在1895年某一天，倫琴就發現在他做陰極射線實驗的時候，距離陰極射線管很遠的熒光屏上也出了閃光，倫琴透過紙片、木板、薄金屬板遮擋以後閃光依舊存在，這說明這種新出現的射線比陰極射線的穿透能力要強的多，由於不知道這是啥，就取名叫X射線。
現在我們知道這時陰極射線，也就是電子撞擊了陽極上的金屬原子，把其中基態的電子敲了出來，上層電子在躍遷的時候，就釋放出了高能電磁波，就是X射線。
但當時的人們並不知道這是咋回事，所以倫琴就在年底發表了一篇論文《關於一種新射線》，論文一經發表立刻在全球就引起了巨大的轟動，轟動的並不是這篇論文，而是倫琴媳婦手部的X射線照片。可以說這張照片是人類從蠻荒時代以來，看到過的最驚奇的景象，非常不可思議，完全跟魔法一樣神奇。
當然這件事也很快就傳到了法國，法國人亨利·貝克勒爾，他家祖上是研究熒光物質的，還記得小時候的熒光表盤和熒光鐲子吧，這東西在太陽底下一曬，在黑暗的環境下就能發出幽幽的綠光，當然在貝克勒爾家裡還有一種熒光物質，叫亞硫酸鈾鉀，是一種含鈾元素的熒光物質，這東西，不需要太陽照，也可能發光，但是太陽照了以後發光更強。
總之都跟太陽有關，所以貝克勒爾就想，太陽光是不是也可以讓這些晶體發出跟X射線一樣，具有穿透性的射線。
最後的研究結果是，只要是含有鈾元素的物質，不管是不是熒光物質，也不管有沒有太陽照射，都可以發出看不見的、穿透能力很強的射線。因為這些鈾鹽可以穿透層層包裹，使照相底片曝光。
最後貝克勒爾就得出這樣的結論，鈾元素可以釋放出未知射線，具有穿透能力，這種射線被稱為鈾射線。
那隨後在法國關於放射性的研究主要就是居里夫人和他的丈夫了，他倆發現了鐳和釙兩種元素，並且給元素的這種現象取名叫放射性。
現在我們將目光放回到英國的劍橋，盧瑟福和老師湯姆遜正在研究X射線透過氣體後的電離效應，他們就聽說了在法國又發現了一種新射線叫鈾射線。
它們對鈾射線也採用了同樣的研究方法，看它經過氣體以後，測量對氣體導電率的影響，最後得出結論，X射線跟鈾射線一樣，都可以電離氣體。
而且盧瑟福還透過研究鈾射線的穿透性發現，鈾射線其實有兩種，一種叫α射線，他的穿透能力很弱，一張紙都可以擋住大部分的α射線。一種穿透能力跟X射線差不多，叫β射線。透過以上的研究，盧瑟福就順利畢業，獲得了加拿大麥克吉爾大學的教授職位。在去加拿大的時候，盧瑟福還順便帶了很多的鈾鹽和釷鹽。
那接下來的問題是，α射線和β射線到底是啥東西，這需要搞清楚，其實這兩個問題都不難，在1899年的時候，貝克勒爾就發現β射線可以被磁場偏轉，並且利用湯姆遜的方法測量了β射線的質荷比，發現和電子的很接近，到了1907年考夫曼精確的測量了這個值，確認了β射線就是電子，不過它的速度要比陰極射線的快了很多。
確認α射線就稍微困難了一點，1903年盧瑟福在麥克吉爾大學也利用湯姆遜的方法對α射線進行了研究，發現這東西的質荷比，是氫離子質荷比的兩倍，前面的文章說了，氫離子的質荷比可以透過電解實驗測量出來。
這個結果就有兩種可能，α粒子的電荷跟氫離子的電荷一樣，但是相對原子質量是氫原子的2倍，也就是2。
但是沒有相對原子質量是2的東西，在元素週期表中，氫的相對原子質量是1，下來就是相對原子質量為4的氦。
所以就剩下第二種可能了，α粒子的質量是氫離子的4倍，電荷是氫離子的2倍，這就可以解釋實驗結果了，那麼得出來的結論就是，α粒子就是氦離子，也就是我們今天說的氦原子核。
不過可以看出，上面的推論其實猜測的成分很大，並不能嚴格地說明阿爾法粒子就是氦核，盧瑟福當時之所以這樣認為，還有另一個證據。
1895年化學家拉塞姆在鈾礦裡面發現了“來自太陽的元素”，就是氦元素，之所以說它來自於太陽，是因為氦最早是從太陽的光譜裡面看到的，地球上以前沒有發現過這種元素。
現在我們發現這種元素可以從鈾礦中產生，而且在1903年這個現象已經得到了確認，所以湯姆遜就認為氦跟放射性有關，所以他相信α粒子就是氦核。
不過盧瑟福這人比較嚴謹，任何的猜測都要經過實驗驗證，所以在1907年盧瑟福就收集了足夠的α粒子，並且觀察了它們的光譜，和太陽上發現的一致，至此α粒子就是氦離子才得到了完美的證實。
其實還有第三種射線，叫γ射線，這個名字也是盧瑟福在1903年給起的，他的穿透能力最強，而且不能被電磁偏轉，所以隨便一猜都能知道這東西跟X射線一樣，是波長極短的電磁波，1914年盧瑟福才證實的他的想法，透過晶體散射γ射線測出來它的波長。
現在我們瞭解了放射性的三種途徑，α射線、β射線和γ射線，其實γ射線在放射性中不怎麼重要，因為它是放射性元素的原子核在經歷了衰變以後，有時會處在激發態，這種激發態也跟電子一樣要落回到基態，這時就會釋放出γ射線。
好，那接下來擺在盧瑟福面前的問題就是，為什麼這些元素會釋放出這些射線呢？這就是盧瑟福關於元素善變現象的發現，這時候盧瑟福已經來到了麥克吉爾大學，在這裡他有一個來自英國的搭檔，他叫索迪，就是提出同位素概念的那個人。是他倆一起發現了元素的善變。
一開始盧瑟福就注意到釷元素的放射性具有漲落，也就是波動，尤其是放在通風的地方，釷元素的放射性強度一會高，一會低很不穩定。
所以它就把釷元素周圍的空氣收集到一個瓶子裡面，居然發現這些氣體也具有放射性，很明顯釷元素的周圍產生了一種氣體，它的放射性是釷放射性強度的一部分。
盧瑟福將這種氣體叫釷射氣，隨後在鐳元素的附近也發現了類似的氣體，就叫鐳射氣。到了1903年，盧瑟福和索迪就發現，釷元素包括釷射氣在內的總放射性強度的54%都來自於一種叫釷X的物質。
他們的實驗過程是這樣的，在硝酸釷的溶液中加入氨，就可以讓釷離子變成氫氧化釷沉澱下來，而其他的元素會繼續留在溶液當中，這樣釷就被分離出來了。
那麼經過分離以後的釷的沉澱物，放射性就小了很多，而且產生的釷射氣也變少了，這就說明有另外一種放射性元素被留在溶液當中，我們稱他為釷X，是它提供了主要的放射性強度。
神奇的是，這些釷的沉澱物在靜止了3周以後，又恢復了它原來的反射性強度，也產生了同樣丰度的釷X和釷射氣。
所以盧瑟福和索迪得出結論，釷在發出放射性的時候，會產生釷X，釷X又會產生釷射氣。索迪是比較有名的化學家，鑑定元素對他來說並不難，所以他們很快就確認了釷射氣，包括鐳射氣其實就是拉塞姆發現的惰性氣體中的那一列，是氡氣，是氡的兩種不同的同位素。
釷X是鐳元素的一種同位素是鐳224，所以說是釷先變成了鐳，然後變成了氡氣。氡氣隨風飄搖，隨意放射性強度忽高忽低。
在1903年的時候盧瑟福和索迪就把以上發現寫成了兩篇論文，論文中最重要的結論就是，放射性其實就是一種元素變成另外一種元素，他們的轉變是透過釋放α粒子和β粒子實現的。
這個結論在當時也非常具有轟動性，因為元素不可變是化學公理，而盧瑟福所說的善變，在當時很難被人接受，就像是我現在走在大街上告訴你，我可以把你手機，變成純金的，你相信不。
除了元素的善變，盧瑟福還發現了放射性元素的半衰期，也就是放射性物質，其放射性強度下降一半所需要的時間，也可以表述為，在某一時間段內，某個放射性原子具有50%的衰變機率，這段時間就是這個放射性元素的半衰期。
我們現在知道釷的半衰期將近140億年，所以很難看到一塊釷的放射性發生衰減，但是氡和鐳的半衰期很短，所以在剔除這兩種元素以後，釷樣品的放射性就衰減了很多。
等過一段時間以後，釷元素衰變就會產生鐳，然後生成氡，放射性強度又會恢復到以前的水平。
好了，那關於放射性就說到這裡，下節課，盧瑟福就回到了曼徹斯特，我們在說他關於原子核研究。
