1897年，英国科学家汤姆逊（ Joseph John Thomson，1856-1940）在真空管阴极射线实验中，根据带电粒子在电场以及磁场中运动都受到偏转的原理，调整磁场和电场的大小，利用粒子公式中对粒子速度的不同依赖关系，就可以测定粒子的速度和质量等数值，从而在实验中发现了从原子中跑出了比它质量小1700倍的带负电的新粒子。
1899年，汤姆逊采用斯坦尼（G.T.Stoney，1826-1911）的“电子”一词来表示发现的新粒子（“电子”原是斯坦尼在1891年用于表示电化学中电荷的自然单位）。
原子在通常情况下是不带电的，从原子中能跑出比它质量小1700倍的带负电电子来说明原子内部还有结构，也说明原子里还存在带正电的东西，它们应和电子所带的负电中和，使原子呈中性。电子是怎么待在原子里的?原子中什么东西带正电荷?正电荷是如何分布的?带负电的电子和带正电的东西是怎样相互作用的?
汤姆逊提出了一个人们称之为“葡萄干面包”的模型，即原子中带正电部分均匀分布在原子体内，电子镶嵌在其中
由于电子质量极小，所以它很有可能是原子的一部分。为了弄清楚原子的结构，英国科学家卢瑟福（ Ernest Rutherford，1871-1937）于1911年设计了用带正电的射线——阿尔法粒子（α）轰击金箔的实验，实验中观察到大多数粒子穿过金箔后发生约一度的偏转，但有极小一部分射线发生很大角度的偏转，这种现象只有原子中正电荷集中在很小的体积内时才会发生，说明原子中除了电子还有一个很小的致密的核。卢瑟福证实了带正电的原子核的存在。
在此基础上，卢瑟福提出了原子的核式模型，即：原子中心有一个极小的原子核，它集中了全部的正电荷和几乎所有的质量，所有电子都分布在它的周围。卢瑟福从理论上推导出散射公式，后被盖革-马斯顿实验所验证，核式模型从而被普遍接受。但卢瑟福模型正负电荷之间的电场力无法满足稳定性的要求，无法解释电子是如何稳定地待在核外。
1913年，丹麦科学家玻尔（Niels Bohr，1885-1962）在卢瑟福模型的基础上提出：电子在一些特定的可能轨道上绕核作圆周运动，离核愈远能量愈高；可能的轨道由电子的角动量必须是h/2π的整数倍决定（h为描述量子大小的普朗克常数）；当电子在这些可能的轨道上运动时原子不发射也不吸收能量，只有当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时原子才发射或吸收能量，而且发射或吸收的辐射是单频的，辐射的频率（ν ）和能量（E）之间的关系由
E＝hν 给出。
原子是否就由电子和质子组成呢？卢瑟福的学生莫塞莱（Henry Gwyn Jeffreys Moseley，1887-1915）注意到，原子核所带正电数与原子序数相等，但原子量却比原子序数大，这说明，如果原子仅由质子和电子组成，它的质量不够，因为电子的质量很小，相比起来可以忽略不计。基于此，卢瑟福在1920年时猜测，原子核中可能还有一种电中性的粒子存在。
1932年，英国科学家查德威克（James Chadwick，1891-1974）重复德国物理学家波特和法国的约里奥-居里夫妇的实验 。他精心设计，先用α粒子轰击铍，再用铍产生的穿透力极强的射线轰击氢、氮，结果打出了氢核和氮核。由于γ 射线不具备将从原子中打出质子所需要的动量，查德威克断定这种射线不可能是γ射线。他测量了被打出的氢核和氮核的速度，并由此推算出了这种新粒子的质量。他认为，只有假定从铍中放出的射线是一种质量跟质子差不多的中性粒子，才能解释。 根据卢瑟福的猜想将其命名为中子。德国科学家海伯森（Werner Karl Heisenberg，1907-1976）以及前苏联科学家伊凡宁柯（Dimitri Iwanenko，1904-1994）各自独立提出，原子核是由质子和中子组成的。以前的质子-电子模型不能解释许多实验现象，而质子-中子模型可以很好说明原子量与原子序数的关系，很快被人们接受，质子与中子统称为核子 。
带正电的原子核是否有内部结构呢？
1914年，卢瑟福用带正电的射线——阿尔法粒子（α）轰击氢原子。氢原子的半径约为10-8厘米，它的原子核半径约为10-12厘米，只是原子大小的万分之一。氢原子核外只有一个电子，它的束缚能E ~ 13电子伏（eV），远小于电子质量 me ~ 0.5x106eV。实验结果表明：氢原子的电子被打掉后变成了带正电的阳离子，实际上就是氢的原子核。卢瑟福推测，它就是以前发现的与阴极射线相对的阳极射线，它的电荷量为一个单位，质量也为一个单位，卢瑟福将它命名为质子。
1919年，卢瑟福用加速后的阿尔法粒子轰击氮原子，结果发现有质子从氮原子核中被打出，而氮原子也变成了氧原子。这可能是人类第一次真正将一种元素变成另一种元素。
閱讀更多 科學小殿堂 的文章
