在上面一篇文章中，我們知道經過將近半個世紀，人們終於發現並確認了第一個基本粒子--電子，湯姆遜還為此獲得諾貝爾獎。那麼自然而然的我們就會考慮，原子到底是什麼一個結構呢？原子和電子是如何“共存”的，那時候的人們只知道電子這個微粒，還不知道質子和中子。

4、原子是如何組成的

湯姆遜發現電子後就想：既然原子在正常狀態下是不帶電的，而電子帶負電，那麼原子裡必然還有某種帶等量正電的物質，與電子電量中和成為中性的原子。於是，在1904年，湯姆遜提出了第一個原子結構模型：原子可能是一個球形，球裡面充滿了正電雲一樣的東西，正電雲沒有質量；電子呈環狀或球殼狀浮動在正電雲中，它們的電荷恰好相等且正負抵消；原子質量平均分佈在每一個電子上。這就是所謂的“正電果子凍模型”。

這個模型在當時還是有一些科學意義的。它可以根據電子的排列方式，對元素的化學性質呈週期性變化的規律作出頗合乎情理的解釋；電子的震動又可以解釋光譜；電子排列的不同可以對應不同的譜線組合。湯姆遜還根據光譜波長，估算原子尺寸約為10^-18cm，與分子運動論的估計非常符合。從以上幾點看，這個模型還是具有非常大的潛力。但是，還有好些問題都無法回答。比如，電子既然在原子中的正電子雲裡浮動，為什麼不與正電子雲合併中和消失電性呢？還有最大的困難是：湯姆遜假設原子質量平均分佈在電子上，那麼即使最輕的氫原子也有2000多個電子，鈾原子達48萬個，這麼多的電子是在讓人無法相信。

後來，湯姆遜的學生盧瑟福和蓋格一塊兒，在1911年前後實驗發現了α粒子的“大角散射”，證實了原子裡應該有一個核--原子核(atomic nucleus)，並且還據此發現了第二個基本粒子--質子(proton)。質子在原子核裡，原子絕大部分質量都集中在質子裡，相比之下電子質量很小很小，在核外圍繞著核高速轉動，這就是原子的有核模型。

5、原子為什麼不坍塌

原子的有核模型有許多優越的地方，但是又出現了令科學家頭痛的問題。我們知道根據麥克斯韋理論可以預言：當帶電粒子做加速運動時會輻射出電磁波，圍繞原子核高速旋轉的電子在做加速運動，就應當不斷輻射電磁波。電子不斷輻射出能量就會減少自身的能量，就要不斷縮小旋轉半徑，逐漸向核“墜落”，最後落到核上造成原子的“坍塌”。很容易計算得到這個坍塌過程只需要1個納秒左右。因此，根據經典物理三大支柱之一的經典電動力學推斷，原子是不穩定的，壽命只有1納秒。換句話說，我們生活的這個世界是不會存在的。顯然，這不可能啊！這就是所謂的“原子穩定性佯謬”。

對於這個佯謬，盧瑟福也表示很無奈，所以說：“在現階段要考慮原子穩定性問題還為時尚早······”。還有如果電子逐漸落向核的過程中，電子的旋轉運動的頻率不斷連續增大，那麼它的輻射光的頻率應連續不斷的增加，因此原子光譜應該是一條連續色帶。但實驗結果表明，原子光譜是具有特徵性的分立光譜。

在1911年的第一屆索爾維會議上，愛因斯坦、普朗克、洛倫茲等23位物理大牛根本沒人理會盧瑟夫的有核模型，而是討論湯姆遜的模型。還好還好，盧瑟福的學生，波爾挽救了他的原子結構模型。1911年初，波爾在丹麥獲得博士學位後，就到劍橋跟隨湯姆遜研究電子，但是不知道為啥，對波爾一直很冷淡。於是，波爾一怒之下離開了劍橋，前往曼徹斯特大學盧瑟福實驗室工作，這也是盧瑟福剛提出有核模型且遇到困難的時候。

波爾看待“穩定性佯謬”的時候比較淡定，認為這是對的，因為有α粒子的“大角散射”實驗佐證。他覺得經典規律是不適用的。於是在1913年，提出了有核模型的三條假設（即波爾模型）：1、繞核轉動的電子不能採取任意軌道，只有滿足與普朗克和愛因斯坦關係式相關聯的量子條件的軌道，才是能夠容許的；2、當電子在這些容許的軌道上運動時，它不輻射能量；3、只有當電子從一條容許的軌道上“跳躍”到另一條容許的軌道上時，它才輻射出光，其能量由愛因斯坦的光電方程確定。

儘管波爾模型由於完全違背經典理論而遭到激烈反對，但最終由於它的推論先後被實驗證實，人們不得不在事實面前接受這個模型，這樣穩定性佯謬和光譜分立佯謬就被波爾模型消除了。但是，又一個重大的佯謬需要解決，那就是核裡有電子嗎？

6、原子核裡面有電子嗎？

當盧瑟福的有核模型在波爾、索末菲等人的努力下，終於得到科學家們的廣泛接受後，人們的注意力開始轉向核的結構。在放射性研究中，人們已經知道原子核能放射α粒子（帶正電的氦核）和β粒子（電子）。這些事實足以證明原子核也是有構造的，而且α粒子和β粒子是原子核構造中的成分。

在20世紀20年代，物理學家們公認的原子核結構是“質子--電子”模型。核內有Z個質子和（A-Z）個電子，A是元素的原子量，Z也是質子數也是原子序數。這個核模型在當時深受物理學家們的喜愛，用了十幾年，可以解釋好多現象：1、這個核模型能十分完善地解釋同位素。比如氧16的原子核由16個質子和8個電子組成；氧17由17個質子和9個電子組成。原子量分別為16、17，原子序數分別為（16-8）（17-9），都是8。2、可以解釋放射線衰變中出現的β射線。從能量判斷，β射線的電子是從原子核裡輻射出來的。所以原子核裡就理所當然的被認為存在著電子。3、核裡有電子，可以保持核的穩定。如果沒有電子，質子帶同種電荷，之間的斥力早就讓核風崩離析了。4、可以解釋核衰變的方式。

這個模型一度被認為是不可推翻的。但事與願違，1925年，荷蘭物理學家烏倫貝克和高斯密特為解決泡利不相容原理中提出的第四個量子數，提出了電子除了有已經被人們承認的三個自由度外，還有一個自由度--自旋（spin）。電子既然有自旋就有角動量，同樣質子也有。為了方便起見，科學家選擇了一個量度這種數值極微小的角動量的標準：令光子的自旋角動量為1，則質子、電子的自旋角動量為1/2。由於自旋角動量只有兩個可能的方向（順時針和逆時針），對應的自旋角動量為+1/2，-1/2。

也就是說，當亞原子粒子組成原子核時，每一個粒子要保持其原來的自旋，整個原子核的自旋就是各粒子自旋的總和。可以得到一個結論：核內粒子如果是偶數個，則不論如何選擇正負自旋進行組合，核的總自旋不是為0就是整數；如果核內有奇數個粒子，則不論如何組合，核的總自旋為分數，不可能為0或其他整數。這樣的話，只要測定了某原子核的自旋就可知道核內粒子數是奇數還是偶數了。這也是“角動量守恆定律”的另一種表述。

引進自旋角動量後，很快就出現了“氮危機”威脅了“質子--電子”核模型。如果按照上面結論，氮原子核由14個質子和7個電子組成，總粒子數位21，那麼它的核自旋角動量就應該是分數值。但是1928年實驗測量得到，氮14的核自旋為1。這下物理學家們又陷入了深深的迷霧了。且不論“質子--電子”模型如何受到偏愛，畢竟只是一種理論，一種學說而已，得經得住實驗的檢驗。這個實驗面前，首先懷疑的是這個模型，因為除非萬不得已，物理學界是不會輕易放棄角動量守恆定律的。

好在1932年，英國物理學家查德威克發現了中子，電子自旋之謎才得以完滿的解釋。中子發現以後海森堡立即提出，原子核不是由質子和電子構成，而是由質子和中子構成。人們也很快發現，“質子--中子”模型比“質子--電子”模型優越的多。它不僅可以解釋“質子--電子”模型能解釋的所有物理現象，還可以解釋核自旋角動量、不確定性原理等物理事實。

知道今天，人們仍然滿意的使用“質子--中子”核模型。