物理能量轉換世界：探秘宇宙大爆炸（簡體書）

在量子力學出現以前，經典力學既不能解釋原子的大小，也不能解釋原子的穩定。1911年由新西蘭物理學家歐內斯特·盧瑟福最先做的實驗，已經證明了，原子的所有正電荷，以及幾乎所有的質量，都集中在一個很小的中心上，盧瑟福把這個中心叫做“原子核”。原子的絕大部分是空的。盧瑟福早在1908年就因為在放射性方面的工作已經獲得過諾貝爾獎了，現在我們知道放射性是某些不穩定化學元素“衰變”引起的：原子發出阿爾法、貝塔或者伽瑪射線等形式的輻射，并且轉變成另外一種元素。
盧瑟福發現，帶正電、很重、穿透力很強的阿爾法射線，實際上就是失去了兩個電子的氦原子。而貝塔射線實際上就是電子，伽瑪射線是高能光子。在那個時代，牽涉不同化學元素的研究被認為是化學家的工作，這樣盧瑟福有點跳出了自己的領域，獲得了諾貝爾化學獎。在他的獲獎講演中，他說道，在他做的放射性研究工作中，他觀察到了很多變化，但是沒有哪種變化比他自己快——突然從物理學家變成了化學家！
盧瑟福是怎么發現原子核的？他用到了物理學家的一種傳統方法，簡單地說就是把一個東西朝某個東西扔過去，然后看會發生什么。盧瑟福與他在英國曼徹斯特的同事們一道，把放射源中出來的阿爾法射線射向一片很薄的金箔。然后他們仔細觀察阿爾法粒子向什么方向散射。絕大多數時間，阿爾法粒子的前進方向只有很小的改變，但是偶爾，阿爾法粒子會偏轉一個很大的角度。實驗結果讓盧瑟福大吃～驚，他把實驗結果形象地描述為：
這是我一生中見過的最難以置信的事情。這就像你把一枚15英寸（1英寸=2.54厘米），的炮彈射向一張薄紙，炮彈會反彈回來打中你自己一樣難以置信！
盧瑟福被這些實驗結果困惑了好幾個星期，最后意識到，那些阿爾法粒子只有碰到原子里面的很小但是很致密的物質核心——原子的核，才可能發生那么大的偏轉。
我們現在已經知道，原子核里面含有一種叫質子的粒子，質子帶有一個正電荷，與電子的電荷數量相同電性相反，還有一種叫中子的粒子，中子是電中性的。質子和中子都比電子重大約2000倍，因此原子的絕大部分質量都在原子核內。原子核里面質子和中子數目的不同意味著它們是不同的元素。質子和中子，被一種比質子間電斥力強很多很多的力束縛在原子核的很小的空間內。而且，這些“強力”只允許某些數目的中子和質子結合在一起形成一個穩定的原子核。最簡單的原子核是氫核，就是一個質子。下一個最簡單的原子核是阿爾法粒子，就是氦原子核，含有兩個質子和兩個中子。在一個中性的原子內，原子核帶的正電荷被電子的負電荷精確地平衡。氫原子有一個電子，氦原子有兩個。電子的數目，或者等價地說，質子的數目，決定了不同元素的化學性質。這樣，雖然強大的核力允許一種元素有幾種不同的原子核，也就是原子核中有不同的中子數，但是這些“同位素”的化學性質完全相同。例如，普通氣體氖的原子核有10個質子和10個中子，但自然界也有不同種類的氖，原子核里的中子數分別是11或者12。由于這些氖的同位素質子數相同，當然電子數也就相同，因此它們的化學性質完全一樣。類似地，氫有兩種非常稀有的同位素，原子核里面分別含有一個和兩個中子。這兩種氫的同位素分別叫做“氘”和“氚”，“氘”和“氚”在恒星的核反應和核武器中都非常重要。有些同位素，特別是一些重元素的同位素，不穩定，會經過放射性衰變變成更穩定的元素。
盧瑟福把原子描述為一個微型的太陽系，電子繞著原子核在軌道上運行，就像行星繞太陽運行一樣。電子的相對大的軌道，可以解釋與原子核相對的，原子的相對較大的尺寸。原子的整體是電中性的，電子被帶正電的原子核吸引，沿著繞原子核的軌道運動。不幸的是，對于經典物理來說，這種模型根本無法運轉。為了繞原子核運動，電子的運動方向就不能是一條直線，也就是說，電子必須不停地改變方向，才能夠保持在軌道上。換句話說，也就是電子必須一直不停地在朝原子核加速。但是根據已經確立的電磁學理論，一個帶電粒子加速的時候會輻射出光。因此經典物理預言，在很短的時間內，電子會通過輻射失去能量，直到螺旋著掉進原子核里。
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