汤姆逊开镜为什么显得小（汤姆逊和卢瑟福引发的科学革命）

亲爱的朋友们，你们是否在网上看到过下边这幅图？它重点描绘的是人生各个学习阶段的意义：整个大圆代表人类认知的总和；中心从里向外每个圆形代表了随着小学、初中、高中阶段的学习，人们知识不断增长；向外部延伸的尖型部分，则代表着大学之后人们开始向某一专业方向深度钻研。本科、硕士、博士……经过持续不断的钻研，人们逐步向认知的边界推进延伸。

（图片来自于网络）

在这幅图上，还有一个很重要的一点，即突破点。人类对于知识的探求，就是通过不同点的突破逐步进行的。当然，不是所有人都能够到达突破点，那么，那些推动人类某一领域进步的顶尖科学家，是如何达到突破点并推动科学发展的呢？大家不妨来科技馆了解一下。

在人类对微观世界探索过程中，有一对师生的名字不得不提，他们就是约瑟夫·约翰·汤姆逊和欧内斯特·卢瑟福。汤姆逊通过观察阴极射线在磁场中的偏转情况，证明了原子是可再分的。他认为：微观世界存在一种比原子小得多的粒子，携带负电并嵌于带正电的原子基底内，就像是葡萄干蛋糕一样。基于此，汤姆逊提出了一种原子结构模型——葡萄干蛋糕模型。这个模型在我们现在看来或许觉得可笑，但在当时，这个模型确实可以解释实验中遇到的某些现象。

汤姆逊阴极射线实验模型

后来汤姆逊的学生卢瑟福在研究原子结构的过程中用α粒子轰击金箔，发现了无法解释的实验现象。它在金箔周围放置感光材料，当α粒子碰到感光材料会形成亮斑，借此可以了解轰击金箔后α粒子的分布规律。他发现α粒子从一个发射源射出，大部分粒子会穿过金箔撞到正前方的感光板上，但是少部分粒子却发生一定的轨迹偏转，甚至还有部分粒子被反弹回来。这个现象无法用之前的葡萄干蛋糕模型解释。因此，卢瑟福建构了一个新的模型。他认为原子中心是一块致密的区域叫做原子核，它集中了原子大部分质量并带正电，带负电的电子围绕原子核运动，而电子和原子核中间应该有很大一部分区域是空的，就好像行星绕着恒星运转一样。看到这，大家是不是觉得它和我们现在认知的原子结构模型已经很接近了？之后随着科学研究的深入，很多科学家又进一步完善原子模型，出现为我们所熟知的能级、电子云等概念，这样，微观世界逐渐清晰。

卢瑟福α粒子散射实验模型

看完上边的故事大家有什么想法呢？以上两件展品，可以说是科技馆最难的展品了，但小编不是想通过解释让大家弄懂物质微观结构的奥秘，而是希望大家从故事中体会科学发现的规律。一般情况下，科学家如果发现了某些实验中的特殊现象，首先会尝试利用现有科学理论去解释，如果解释不了，就会试图提出一种新的理论。而这个新的理论将会受到严苛的同行评议，只有获得科学共同体的认可，才会真正成为构筑科学大厦的一块砖，进而实现科学的发展。而作为理论的提出者，也应抱有开放的态度，接受所有人的质疑，而不该故步自封，害怕面对挑战。

现在，让我们回过头再看下开篇的两幅图。科学的发展不仅需要长久厚重的知识积累，更需要有那么一股独立思考、不唯权威、坚持不懈、科学严谨的科学精神和态度，只有这样才能达到图中的“突破点”。作为科研工作者，也只有同时具备优秀的研究能力与开放的胸怀，才能做出伟大的科学发现，从而推动人类知识边界不断拓展！

中国科技馆展览教育中心武佳供稿