通过对自然科学史进行深入研究可以发现，在20世纪物理学最重要的一个物理结构——原子的研究过程中，科学家正是通过不断类比，推动了原子结构的最终确定，这其中就包括原子的葡萄干蛋糕模型、原子的土星模型、原子的太阳系模型等。
原子最早是哲学中解释世界基本构成的抽象概念，原子论的创始人是古希腊人留基伯（Leucippus）和德谟克利特（Democritus）。他们认为，世界本原或根本元素是原子和虚空。原子在希腊文中是“不可分”的意思。随着人类认知的进步，原子逐渐从抽象的概念成为科学的理论。原子核和电子构成原子，而原子又可以构成分子。原子是近现代物理学重要的基础结构之一。它的结构发现经历了很多波折。
经过2000多年的探索，科学家在17～18世纪通过实验，证实了德谟克利特等人预言的原子的存在。1789年，法国科学家拉瓦锡（Lavoisier）定义了原子一词，从此原子就用来表示化学变化中的最小单位。在很长时间内，人们都认为原子就像一个小得不能再小的玻璃实心球，里面再没有什么结构了。
1897年，英国物理学家约瑟夫·汤姆逊（Joseph Thomson）发现了电子以及它的亚原子特性，粉碎了一直以来原子不可再分的设想。1859年，德国的普吕克尔（Plücker）利用盖斯勒管进行放电实验时看到，正对着阴极的玻璃管壁发出绿色的辉光。那么，阴极射线是由什么组成的呢？对此众说纷纭，一时得不出公认的结论。
汤姆逊在1897年得出结论：这些射线不是以太波，而是带负电的物质粒子。通过测量他发现，这种粒子的质量比氢原子的质量小得多，前者大约是后者的1/2000。人类首次用实验证实了一种基本粒子——电子的存在。汤姆逊的实验指出，原子是由许多部分组成的，这个实验标志着一个科学新时代的到来。人们称他是一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人。
在发现电子之后，面对电子在原子中处于什么位置，体现什么样的原子结构的问题，汤姆逊模型认为，正电荷均匀分布在整个原子球体中，带负电的电子散布在原子中，这些电子分布在对称的位置上。当这些电子静止在平衡位置上时，电子就会振动从而使原子发光。也就是说，在这个模型中，电子是均匀分布在整个原子中的，电子镶嵌在正电荷液体中，就像葡萄干点缀在一块蛋糕里一样，所以又被称为葡萄干蛋糕模型（如图5.1所示）。[3]
图5.1 原子的葡萄干蛋糕模型
日本物理学家长冈半太郎（Nagaoka Hantaro）于1903年12月5日在东京数学物理学会上口头发表，并于1904年分别在日本、英国、德国的杂志上刊登了《说明线状和带状光谱及放射性现象的原子内的电子运动》的论文。他批评了汤姆逊模型，认为正负电荷不能相互渗透，提出一种他称之为土星模型的结构——围绕带正电的核心有电子环转动的原子模型，一个大质量的带正电的球的外围，有一圈等间隔分布的电子以同样的角速度做圆周运动（如图5.2所示）。
(www.xing528.com)
图5.2 长冈半太郎的原子土星模型
长冈半太郎首先提出的土星型有核原子结构模型理论，成为英国物理学家卢瑟福在1911年提出的原子行星模型的先导。这个理论的提出及其对质子存在的预言，在世界上引起很大的反响。为了更深入地研究原子的内部结构，他开始对光谱学进行细致的研究。[4]
1906年，英国科学家卢瑟福团队进行了著名的α粒子散射实验，即让一束平行的α粒子穿过极薄的金箔，按照葡萄干蛋糕原子模型，α粒子像巨型炮弹一样可以很容易地穿过原子空间，仅仅会受“葡萄干”——电子带来的很小的散射的影响。
卢瑟福团队重复着这个已经做过多次的实验，他们不仅观察到散射的α粒子，还观察到被金箔反射回来的α粒子。在卢瑟福晚年的一次演讲中曾描述过当时的情景，他说：“这是我一生中最不可思议的事情。这就像你对着卷烟纸射出一颗约38厘米的炮弹，却被反射回来的炮弹击中一样不可思议。经过思考之后，我认识到这种反向散射只能是单次碰撞的结果。经过计算我发现，如果不考虑原子质量绝大部分集中在一个很小的核中，那么是不可能得到这个数量级的。”
卢瑟福所说的思考，不是思考一天、两天，而是思考了整整一两年。在进行了大量实验、理论计算和深入思考后，他才大胆地提出原子的太阳系模型，推翻了他的老师汤姆逊的实心带电球原子模型。
卢瑟福提出的原子模型像一个太阳系，带正电的原子核像太阳，带负电的电子像绕着太阳转的行星，如图5.3所示。在这个微型的太阳系中，支配它们的作用力是电磁相互作用力。卢瑟福的理论开拓了研究原子结构的新途径，然而在当时很长的一段时间内，卢瑟福的原子太阳系模型遭到物理学家们的冷遇。卢瑟福原子模型存在的致命弱点是，正负电荷之间的电场力无法满足稳定性的要求，即无法解释电子是如何稳定地待在核外。很多科学家把它看作一种猜想，或者形形色色的模型中的一个而已。然而，原子太阳系模型在实验中不断得到验证，于是卢瑟福被誉为原子物理学之父。[5]
图5.3 卢瑟福的原子太阳系模型
卢瑟福的原子太阳系模型在此后的100年中又得到进一步发展。20世纪初期，德国物理学家普朗克（Planck）为解释黑体辐射现象，提出量子论，揭开了量子物理学的序幕。1912年，正在英国曼彻斯特大学工作的玻尔（Bohr）将一份被后人称作《卢瑟福备忘录》的论文提纲提交给他的导师卢瑟福。在这份提纲中，玻尔在太阳系模型的基础上引入了普朗克的量子概念，这标志着玻尔模型被正式提出。因为在原子领域做出的贡献，卢瑟福和玻尔分别获得诺贝尔化学奖和物理学奖。
免责声明：以上内容源自网络，版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。
