原子结构的原子模型
1901年，法国物理学家让·巴蒂斯特·皮兰(1870-1942)提出了一个结构模型，认为原子的中心是一些带正电的粒子，外围是一些绕轨道运行的电子。电子绕行的周期对应于原子发射的谱线频率，最外层的电子被甩出去发射阴极射线。葡萄干蛋糕模型(枣糕模型)
约瑟夫·约翰·汤姆森(1856-1940)继续他的系统研究，并试图描述原子结构。汤姆逊认为原子包含一个均匀的阳极球体，几个负电子在这个球体中运行。根据阿尔弗雷德·迈耶(Alfred Mayer)对浮动磁铁平衡的研究，他证明了如果电子的数量不超过一定的限度，这些运行的电子形成的环将是稳定的。如果电子数超过这个限制，就会列为两个环，以此类推。这样，电子的增加导致了结构上的周期性相似，门捷列夫周期表中物理化学性质的反复再现也可能得到解释。
在汤姆森提出的这个模型中，电子在球体中的分布有点像点缀在蛋糕中的葡萄干。很多人把汤姆逊的原子模型称为“葡萄干蛋糕模型”。不仅可以解释原子为什么是电中性的，电子在原子中是如何分布的，还可以解释阴极射线现象和金属在紫外线照射下可以发射电子的现象。而且根据这个模型，可以估算出原子的大小约为10-8cm，这是一件了不起的事情。因为汤姆逊模型可以解释当时很多实验事实，所以很容易被很多物理学家接受。长冈汉太郎(1865-1950)1903 1904在东京数学物理学会口头发表，1904年分别在日文、英文、德文杂志上发表《解释线性和带谱及》。他批判了汤姆逊的模型，认为正负电不能互相渗透，提出了一个他称之为“土星模型”的结构——一个电子环绕着带正电的内核旋转的原子模型。一个带正电的大质量球被一圈等间距分布的电子包围着，这些电子以相同的角速度做圆周运动。电子的径向振动发出线谱，垂直于环面的振动发出带谱。环上的电子飞出为β射线，中心球体上的带正电粒子飞出为α射线。这个土星模型对他后来的原子成核模型影响很大。1905年，他分析了α粒子荷质比测量等实验结果，发现α粒子是氦离子。1908年，瑞士科学家利兹提出了磁原子模型。
他们的模型在一定程度上可以解释当时的一些实验事实，但不能解释很多新的实验结果，所以没有进一步发展。几年后，汤姆逊的“葡萄干蛋糕模型”被他的学生卢瑟福推翻。英国物理学家欧内斯特·卢瑟福(1871 ~ 1937)于1895年来到英国卡文迪许实验室跟随汤姆逊学习，成为汤姆逊第一个海外研究生。卢瑟福勤奋好学。在汤姆逊的指导下，卢瑟福在做他的第一个实验——放射性吸收实验时发现了α射线。
卢瑟福设计了一个巧妙的实验。他把铀、镭等放射性元素放在铅容器里，只在铅容器上留下一个小洞。因为铅可以阻挡辐射，所以只有一小部分辐射从小孔中出来，形成一束狭窄的辐射。卢瑟福在辐射束附近放置一块强磁铁，结果发现有一条射线不受磁铁的影响，保持直线运动。第二条射线受磁铁影响，偏向一侧，但偏向不厉害。第三条光线偏转得很厉害。
卢瑟福将不同厚度的材料放在辐射的方向上，观察辐射的吸收。第一种辐射不受磁场影响，这意味着它不带电，穿透力强。一般的纸张、木屑等材料都无法阻挡辐射的前进，只有厚厚的铅板才能完全阻挡，这就是所谓的伽马射线。第二条射线将受到磁场的影响并偏向一侧。从磁场的方向可以判断这条射线是带正电的。这种射线的穿透力很弱，用一张纸就能完全挡住。这是卢瑟福发现的阿尔法射线。第三种射线按偏转方向带负电，性质与快速移动的电子相同，故称为β射线。卢瑟福对他自己发现的阿尔法射线特别感兴趣。经过深入细致的研究，他指出α射线是带正电的粒子流，这些粒子是氦原子的离子，也就是缺了两个电子的氦原子。
“计数管”是德国留学生汉斯·盖格(1882-1945)发明的，可以用来测量肉眼看不见的带电粒子。当带电粒子通过计数管时，计数管发出一个电信信号。当这个电信信号连接到报警器上时，仪器会发出“咔嗒”声，指示灯也会亮起。不可见和不可见的射线可以用非常简单的仪器记录和测量。人们称这种仪器为盖革计数器。在盖革计数器的帮助下，卢瑟福领导的曼彻斯特实验室对α粒子性质的研究发展迅速。
1910年，马斯登(E.Marsden，1889-1970)来到曼彻斯特大学。卢瑟福让他用α粒子轰击金箔，做实践实验，用荧光屏记录那些穿过金箔的α粒子。根据汤姆逊的葡萄干蛋糕模型，微小的电子分布在一个均匀带正电的物质中，而α粒子是失去了两个电子的氦原子，质量比电子大几千倍。这么重的壳层轰击原子，小电子也抵挡不住。而金原子中的正物质是均匀分布在整个原子体积中的，无法抵抗α粒子的轰击。也就是说，α粒子会很容易地穿过金箔，即使被阻挡了一点点，穿过金箔后也只会稍微改变方向。卢瑟福和盖革多次做过这种实验，他们的观测结果与汤姆逊的葡萄干蛋糕模型非常吻合。受金原子的影响，α粒子稍稍改变了方向，其散射角极小。
马斯登和盖革重复了这个已经做过多次的实验，奇迹出现了！他们不仅观察到了散射的α粒子，还观察到了金箔反射的α粒子。卢瑟福在晚年的一次演讲中描述了这一场景。他说，“我记得盖革在两三天后非常兴奋地找到我说，‘我们得到了一些反射的阿尔法粒子……’，这是我一生中最不可思议的事件。就像用15寸的炮弹对着卷烟纸射击，却被反射回来的炮弹击中一样不可思议。想了想，才知道这种后向散射只能是单次碰撞的结果。经过计算，我看到，如果不考虑大部分原子质量集中在一个小核里，是不可能得到这个数量级的。"
卢瑟福说的“思考之后”，不是思考一两天，而是思考整整一两年。在做了大量实验、理论计算和慎重考虑后，他大胆提出了原子核原子模型，推翻了他的老师汤姆逊的固体带电球原子模型。
卢瑟福检查了他的学生实验中反射的α粒子确实是α粒子，然后仔细测量了反射的α粒子的总数。测量显示，在他们的实验条件下，每8000个入射的阿尔法粒子中，就有一个阿尔法粒子被反射回来。汤姆逊的固体带电球原子模型和带电粒子的散射理论只能解释α粒子的小角散射，不能解释大角散射。多次散射可以得到大角度散射，但计算结果表明多次散射的概率极小，与上述八千个α粒子中的一个反射回来的观测相差太远。
汤姆逊原子模型无法解释α粒子的散射。经过仔细的计算和比较，卢瑟福发现，只有当正电荷集中在很小的区域，α粒子穿过单个原子时，才能发生大角度散射。换句话说，原子的正电荷一定集中在原子中心的一个小原子核里。在这个假设的基础上，卢瑟福进一步计算了α散射的一些规律，做出了一些推论。这些推论很快被盖革和马斯登的一系列漂亮的实验所证实。
卢瑟福的原子模型就像一个太阳系，带正电的原子核像太阳，带负电的电子像绕太阳运行的行星。在这个“太阳系”中，它们之间的力是电磁相互作用。他解释说，原子中带正电荷的物质都集中在一个小核中，大部分原子质量也集中在这个小核中。当阿尔法粒子直接射向原子核时，它们可能会被反弹回来。这满意地解释了α粒子的大角度散射。卢瑟福发表了著名论文《物质对α和β粒子的散射及其原理结构》。
卢瑟福的理论开辟了研究原子结构的新途径，为原子科学的发展做出了不朽的贡献。然而，在当时很长一段时间里，卢瑟福的理论受到物理学家的冷遇。卢瑟福的原子模型的致命弱点是正负电荷间的电场力不能满足稳定性的要求，即不能解释电子如何稳定地停留在原子核外。Hantaro在1904年提出的土星模型，因为无法克服稳定性的困难而不成功。因此，当卢瑟福再次提出原子核原子模型时，许多科学家将其视为一种猜想或各种模型中的一种，而忽略了卢瑟福提出该模型所依据的坚实的实验基础。
卢瑟福有着非凡的洞察力，所以他常常能够抓住本质，做出科学的预测。同时他有非常严谨的科学态度，他要从实验事实中得出结论。卢瑟福认为他的模型远非完美，需要进一步研究和发展。他在论文的开头宣称:“在这个阶段，没有必要考虑所提出的原子的稳定性，因为显然它将取决于原子的精细结构和带电成分的运动。”在那一年写给朋友的信中，他也说:“我希望在一两年内能对原子结构给出一些更清晰的看法。”卢瑟福的理论吸引了一位来自丹麦的年轻人，他的名字叫尼尔斯·亨利克·戴维·玻尔·尼尔斯·亨利克·戴维·玻尔(1885-1962)。在卢瑟福模型的基础上，他提出了原子核外电子的量子化轨道，解决了原子结构的稳定性问题，描述了一个完整的、令人信服的原子结构理论。
玻尔出生于哥本哈根的一个教授家庭，1911年获得哥本哈根大学博士学位。1912三月到七月在卢瑟福的实验室学习，这期间他的原子理论诞生了。玻尔首先将普朗克的量子假说推广到原子内部的能量，以解决卢瑟福原子模型稳定性中的困难。假设原子只能通过离散能量光子改变能量，即原子只能处于离散稳态，最低稳态是原子的正常态。然后受好友汉森的启发，从谱线的组合定律得出了稳态跃迁的概念。他在1913和11的7月和9月发表了他的长文《论原子结构和分子结构》的三个部分。
玻尔的原子理论给出了这样一个原子形象:电子以某种特定的可能轨道围绕原子核运动，离原子核越远，能量越高；可能的轨道是由电子的角动量必须是h/2π的整数倍决定的；当电子在这些可能的轨道上运动时，原子并不发射或吸收能量，只有当电子从一个轨道跳到另一个轨道时，发射或吸收的辐射才是单频的。辐射的频率和能量之间的关系由E=hν给出。玻尔的理论成功地解释了原子的稳定性和氢原子谱线的规律。
玻尔的理论极大地扩大了量子理论的影响，加速了它的发展。1915年，德国物理学家阿诺德·索末菲(1868-1951)将玻尔的原子理论扩展到包括椭圆轨道，并考虑了电子质量随其速度变化的狭义相对论效应。衍生光谱的精细结构与实验一致。
191955年，阿尔伯特·爱因斯坦(1879-1955)根据玻尔的原子理论统计分析了物质吸收和发射辐射的过程，推导出普朗克辐射定律。爱因斯坦的工作综合了量子理论第一阶段的成果，将普朗克、爱因斯坦和玻尔的工作整合成一个整体。卢瑟福的学生中有十几位诺贝尔奖获得者，如玻尔、查德威克、考克洛夫特、卡皮查、哈恩等。发现原子核后，卢瑟福在1919年用α射线轰击氮原子核，实现了人类历史上第一次“炼金术”和核反应。从现在开始，元素不是永恒的东西。卢瑟福通过一系列核反应发现质子即氢离子是所有原子核的成分，并预言了中子，后来被他的学生查德威克发现，最终建立了基于质子和中子的核结构模型。泡利不相容原理建立后，元素周期律也得到了解释。卢瑟福后来被称为核物理之父。当然，在英国蒸蒸日上的时候，也不要忘了法国的居里夫妇，因为卢瑟福的一系列发现所需要的原子外壳是放射性元素(尤其是镭)释放的α粒子。这时法国人成立了居里实验室，居里在一次车祸中丧生。玛丽因在放射性方面的成就获得了诺贝尔化学奖。名著《放射性通论》代代相传。居里实验室之后，由年轻的居里夫妇主持:伊奥里奥·居里和伊莲娜·居里，两人同样才华横溢，不逊于三大圣地。小居里和他的妻子有点不幸。他们发现中子被查德威克抢了，正电子被安德森抢了，核裂变被哈恩抢了。机会稍纵即逝。但最终，他因为发现了人工放射性而获得了诺贝尔奖。现在放射性同位素有上千种，大部分都是人工制造的，多亏了小居里夫妇。
有核模型实验成功，但与当时的基础理论发生严重冲突。根据经典电动力学，由于电子的圆周运动，会辐射出电磁波，由于能量的损失，会在1ns内落入原子核，同时发出连续的光谱。换句话说，理论上不存在原子这种东西。但是原子确实是存在的，而且是稳定的，发出线性光谱，这是有大量实验事实和整个化学支持的。1911年，一个26岁的丹麦年轻人来到剑桥，然后转学到曼彻斯特的卢瑟福实验室，从而得知了原子核的惊人发现。最后，他找到了一种有核模型的根本修正方法，不仅可以解释原子的稳定性，还可以计算原子的半径。他是尼尔斯·玻尔，和爱因斯坦一样著名。
1885年，瑞士数学老师巴尔默发现了一个氢原子可见光谱的经验公式，后来被瑞典物理学家里德伯推广为里德伯公式。1900年，德国物理学家普朗克提出了能量量子化的概念，解释了黑体辐射光谱。1905年，爱因斯坦提出了光量子的概念。这些结论给了玻尔很大的启发。在这些启发下，玻尔在1913将量子化的概念应用于原子模型，提出了玻尔的氢原子模型。这个模型的关键是玻尔提出的三个假设。稳态假设:电子只能在一些离散的轨道上运动，不会辐射电磁波。频率条件假设能级差与原子吸收(或发射)的光子能量相同。角动量的量子化假设电子的角动量是普朗克常数的整数倍。通过一系列的推演，氢光谱之谜逐渐浮出水面，并获得巨大成功。玻尔因此获得了1922的诺贝尔奖。玻尔模型虽然现在看起来很粗糙，但它的意义不在于模型本身，而在于建立模型时引入的概念:稳态、能级、跃迁等等。玻尔引入对应原理来协调氢原子模型和经典力学之间的冲突。玻尔成功后，拒绝了导师卢瑟福的邀请，回到祖国，在哥本哈根成立了研究所(后改名为玻尔研究所)。玻尔研究所吸引了世界各地一大批优秀的青年物理学家，包括量子理论的创始人海森堡、泡利、狄拉克等，形成了浓郁的学术氛围。这时，哥本哈根开始探索物理学的基本规律。
直到现在，物理学仍然可以大致分为两个学派。一派是以爱因斯坦为代表的经典物理学派，成员有普朗克、德布罗意、薛定谔等。一派是以玻尔为首的哥本哈根学派，成员有波恩、海森堡、泡利、狄拉克等。自然，这场辩论还没有结论。那么玻尔的氢原子之后物理学发生了什么？两大科学巨头争论的焦点是什么？英国物理学家詹姆斯·查德威克(1891 ~ 1974)于1891年出生于英国。从曼彻斯特大学毕业后，他专门研究放射性现象。后来我去了剑桥大学，在卢瑟福教授的指导下，取得了很多成就。1935因发现中子获得诺贝尔物理学奖。二战期间，他去美国研究核武器。1974死了。
他发现中子和质子质量相同，但不带电。中子的存在解释了为什么原子的质量大于质子和电子的总质量。他还因为发现中子获得了1935诺贝尔奖。
原子是由带正电荷的原子核和围绕原子核旋转的带负电荷的电子组成的。几乎所有的原子质量都集中在原子核上。起初，人们认为原子核的质量(根据卢瑟福和玻尔的原子模型理论)应该等于它所含的带正电荷的质子数。但是，有科学家在研究中发现，原子核中的正电荷数并不等于它的质量！也就是说，原子核中除了带正电的质子外，还应该含有其他粒子。那么，那些“其他粒子”是什么呢？英国著名物理学家詹姆斯·查德威克解决了这个物理问题，发现“其他粒子”就是“中子”。1930年，科学家Bert和Baker用α粒子轰击铍时，发现了一种穿透射线，他们以为是γ射线，忽略了。韦伯斯特甚至仔细鉴定了这种辐射，看到了它的中性，但很难解释这种现象，所以没有继续深入研究。居里夫人的女儿伊莲娜·居里和丈夫也在“铍射线”边缘徘徊，最终与中子失之交臂。查德威克1891出生于英国柴郡，毕业于曼彻斯特维多利亚大学。中学时没有天赋。他沉默寡言，成绩一般，但他坚持自己的信条:能做就一定要做对，一丝不苟；除非你能做到并理解它，否则永远不要写。所以有时候他不能按时完成物理作业。正是他不虚荣、实事求是、“十次召回一匹马，建功立业”的精神，使他在科研事业中受益终生。进入大学的查德威克，因为基础知识扎实，立刻显示出他在物理研究方面的杰出才能。他被著名科学家卢瑟福所吸引。毕业后留在曼彻斯特大学物理实验室，在卢瑟福的指导下从事放射性研究。两年后，他因为“α射线通过金属箔时发生偏离”的成功实验，获得了英国国家奖学金。正当他的科研生涯初露曙光时，一战中他被关进了平民战俘营，直到战争结束，他才重获自由，回到自己的科研岗位。1923年，因在核电荷测量和研究方面的突出成就，被提拔为剑桥大学卡文迪许实验室副主任，并与卢瑟福主任一起从事粒子研究。1931年，伊奥里奥和居里夫人的女儿、女婿居里宣布了他们的新发现:石蜡在铍射线的照射下产生了大量的质子。查德威克马上意识到，这种射线很可能是由中性粒子组成的，这是解开原子核正电荷不等于其质量之谜的关键！查德威克立即着手研究奥里奥·居里和他的妻子所做的实验，并用云室测量这种粒子的质量。发现这种粒子的质量和质子的质量一样，没有电荷。他称这种粒子为中子。中子就这样被他发现了。他解决了理论物理学家在原子研究中遇到的问题，完成了原子物理研究的突破。后来，意大利物理学家费米以中子为“壳”轰击铀原子核，发现了核裂变和裂变中的链式反应，开创了人类利用原子能的新时代。查德威克因发现中子的杰出贡献获得1935诺贝尔物理学奖。