科普慕课｜人类如何发现原子和原子核结构？

　　在人类文明的长河中，对物质本质的追问从未停歇。那些肉眼不可见的微观存在，不仅是解开宇宙起源之谜的钥匙，更承载着人类对自然法则的终极探索。2025年12月31日，中国科学院院士、清华大学教授邹冰松在“2026天演说科普跨年演讲”中，系统回溯了人类揭示微观物质结构的百年历程。

　　【内容要点总结】

　　一、原子核的发现：卢瑟福实验的革命性突破

　　打破“原子不可分”观念：19世纪末，贝克勒尔与居里夫妇发现天然放射性现象，表明原子内部存在变化；卢瑟福进一步区分出α、β、γ射线，并证实α射线是带正电的氦核。

　　元素可转变：卢瑟福发现一种元素通过释放α粒子可转变为另一种元素，打破了“元素不变”的化学教条，标志着核物理学的开端。

　　关键实验——卢瑟福实验（又称α粒子散射实验）：卢瑟福通过实验发现绝大多数α粒子穿过金箔，但极少数发生大角度偏转甚至反弹。因此他推断原子中心存在一个体积极小、质量极大、带正电的原子核，电子绕其运动，从而提出原子的核式结构模型，否定了其导师汤姆森提出的“布丁模型”。

　　原子核的组成：质子与中子的相继发现

　　质子的发现（1919年）：卢瑟福用α粒子轰击氮核，首次发现带正电的氢原子核，命名为质子，这也是人类发现的第一个强子。

　　中子的发现（1932年）：卢瑟福的学生查德威克用α粒子轰击铍，发现了一种质量与质子相近但不带电的新粒子——中子，解决了原子核质量数与电荷数不匹配的难题。

　　物质基本结构确立：至此，物质的基本组成单元明确为电子、质子、中子，原子核由质子和中子构成。

　　开创实验范式：卢瑟福建立的“束流打靶—探测器观测”方法，成为现代粒子与核物理研究的标准范式，其实验室先后催生了中子发现、加速器发明、核裂变发现等多项诺贝尔奖级成果。

　　三、核内作用力：强相互作用和弱相互作用的揭示

　　强相互作用的预言与证实：为解释原子核内核子（质子、中子）如何紧密束缚，汤川秀树于1935年预言存在传递核力的π介子（质量约为电子200倍）。1947年，鲍威尔在宇宙线中观测到π介子，实验证实强相互作用的存在。

　　弱相互作用的建立：中子会自发衰变为质子、电子和中微子。费米于1934年在此基础上提出首个弱相互作用理论，成功描述β衰变。

　　宇称不守恒的发现：1956年，李政道与杨振宁提出在弱相互作用中宇称可能不守恒。1957年，吴健雄通过钴-60β衰变实验证实了这一颠覆性理论，深刻改变了人类对自然对称性的理解。

　　四种基本力完备：至此，支配物质世界的四种基本相互作用——引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用、弱相互作用——全部被揭示。

　　原子核的内部结构：壳层结构与集体运动模型

　　壳层模型（1963年）：迈耶与延森提出，质子和中子在原子核内也分层填充在分立的能级上，形成壳层结构。当质子数或中子数为特定“幻数”时，原子核特别稳定。该模型成功解释了原子核的许多基态性质。

　　集体模型：奥格·玻尔等人进一步发现，许多原子核并非球形，而是存在稳定的非球形变形（如橄榄形）。他们提出集体模型，用原子核整体的转动与振动来解释更复杂的核能谱，将核结构研究推向更深层次。

　　【专家简介】

　　邹冰松，清华大学教授，粒子物理与核物理学家，中国科学院院士。现任清华大学高能物理研究中心主任，国际一流综述期刊Physics Reports 编辑。1984年本科毕业于北京大学，1987年于中国科学院高能物理研究所获硕士学位，1990年于中国科学院理论物理研究所获博士学位。1990年至1998年在瑞士、英国工作。曾担任中国科学院高能物理研究所理论物理室和中国科学院理论物理研究所负责人。曾获国家六部委回国人员成就奖、德国洪堡研究奖、吴有训物理奖、中国科学院优秀研究生导师奖。

　　记者：肖春芳 林佳欣

　　制作：汪艺忱（实习）