古代希腊哲学家认为物质的最小微粒是原子。“原子”这个词，在希腊文中就是不可再分的意思。道尔顿在1803年提出：元素是永恒不变的，元素的最小粒子就是不可再分的原子。才过了100多年，人们发现这种观点不对了，元素不是永恒不变的，新发现的放射现象正是由一种元素蜕变成为另一种元素的过程。
这可不是毫无根据的瞎说，因为人们已经亲眼看到镭中产生了氡，氡又变成了氦。
既然元素会变，那么，元素的最小粒子——原子也就不可能是坚硬的不可分割的小球了，原子一定有更复杂的结构。要弄清楚一种元素是怎样变成另一种元素的，首先要知道原子到底是什么样的。
果子面包
前面已经讲了，汤姆逊发现在各种元素的原子中都有电子，可是在原子中，电子是怎样安排的呢？
汤姆逊总结已经发现的事实，在1904年第一个提出了原子结构的理论。
他想象原子是一个均匀的带阳电的球，在这个球里面，飘浮着许多电子。这许多电子带的阴电，正好和这个球所带的阳电相等，所以整个原子是中性的。如果失掉了几个电子，这个原子的阳电荷就过多了，形成阳离子；如果多了几个电子的话，这个原子的阴电荷就过多了，形成阴离子。
汤姆逊的原子模型有点像果子面包，整个面包好像一个原子，面包里的葡萄干好像电子。
人们发现，β射线就是快速运动的电子，它能够穿透几毫米厚的铝片，也就是说，电子能穿透原子。如果原子是道尔顿所认为的那样坚硬的小球的话，电子就没法穿过了。但汤姆逊用他的模型解释了这个现象，他认为，比起原子来，电子的体积是极小的，在原子里面电子之间的空隙很大，所以速度非常快的电子可以穿过空隙跑过去。这种情形可以比作一粒快速的葡萄干打穿了果子面包。
原子里面的电子之间的空隙就那么容易穿过吗？汤姆逊认为，带阳电荷的球是没有质量的，只有带阴电荷的电子才有质量。汤姆逊已经测量出来电子的质量差不多是氢原子质量的1／2000。既然原子中只有电子有质量，那么一个氢原子中就应该有差不多2000个电子。氦原子的质量是氢原子的4倍，那么一个氦原子中就会有8000个左右的电子！更重的元素的原子中的电子，数目就应该更多了。
能有这样多的电子吗？还有，α粒子也能穿过很薄的金属箔。这又怎样解释呢？
α粒子是失去两个电子的氦原子，按汤姆逊的模型，那就是一块掉落两粒葡萄干的小面包。一块小面包打在大面包（金原子）上，不管速度有多大，很难想象怎么能穿透过去。
看来，汤姆逊的果子面包原子模型有很多问题。
卢瑟福的小太阳系
卢瑟福已经对α射线进行了多年的研究，他一直在考虑α粒子在穿透很薄的金箔时发生的怪现象：它们绝大多数笔直地穿过了金箔，有极少数穿过金箔之后却改变了方向。这些α粒子为什么会改变方向呢？
高速前进的α粒子会转弯，看来是碰到了什么障碍物。这种障碍物不会是质量极小的电子，而应该是体积非常小、质量足够大的一粒什么物质。这一粒物质，就在金原子中。
于是，探究原子深处奥秘的新的科学实验开始了。
这一天，卢瑟福和他的年轻助手盖革走进实验室，还有几个学生也来帮忙。实验室里装着新设计的仪器——中间是一片金箔，正对着金箔有一个装有放射性元素的小罐，α粒子成为一小束由罐口向金箔射去。金箔周围有一个大的有刻度的圆盘，上面装着一个能够沿着圆盘转动的闪烁镜。
闪烁镜是老科学家克鲁克斯在1903年发明的。这是一小片涂有硫化锌的荧光屏，要是有一个α粒子打在屏上，屏上就会发生一个小小的闪光。用放大镜进行观测，并且数出闪光的次数，就可以推算出α粒子的数目来。
窗上的黑色帷幕放下来了。在漆黑的实验室的一角点起一根小小的蜡烛，卢瑟福和学生们一起闲谈了一会，等候大家的眼睛习惯黑暗。
“可以开始了！”卢瑟福说。
盖革坐在仪器旁边，记下闪烁镜转动的角度后，睁大眼睛看着闪烁镜。
“记数！”卢瑟福看着时间。
“1、2、3、4……”盖革数着闪烁镜中出现的闪光的次数——α粒子的数目。
过了一定时间，卢瑟福说：“停！”这时候，盖革数到58，这就是在这段时间里偏转过来的α粒子数。
闪烁镜转到新的角度，实验重新开始。
过了一段时间，盖革的眼睛酸了。于是卢瑟福坐在仪器旁观测，盖革记时间，学生们也轮流帮助他们进行观测。
他们转了一个角度又一个角度，结果发现偏转角度越大，α粒子就越少。
最后，他们把闪烁镜转到α粒子源的同一边，观测又开始了。
经过较长的沉默以后，盖革数出了“1”，又过了一段时间，才是“2”
看！α粒子不但偏转，而且还在金箔上反弹了回来。
这些现象怎样解释呢？他们进行了热烈的讨论。
1911年3月的一天早晨，盖革正在实验室里整理仪器。他的老师卢瑟福兴冲冲地进来了。
“我知道了！”卢瑟福说：“原子到底是什么样的我知道了！原子确实有核，而且核是带阳电荷的。α粒子也是带阳电荷的，所以在接近带阳电荷的核的时候，由于同性电荷相斥而偏转了。”
卢瑟福接着解释实验结果：带阳电荷的核和整个原子相比是非常小的，所以大部分α粒子穿过原子中的空当，不受核的阳电荷的斥力的影响，只有极少数接近核的α粒子受到斥力作用而偏转，极个别的α粒子差不多正对着核撞去，在斥力的作用下被弹了回来。
过了几天，卢瑟福拿出理论计算公式给盖革看。他根据新的模型算出偏转到各种角度的α粒子的数目，和盖革的实验结果比较，基本上是一致的。
原子不像果子面包了，而像有核的桃子或杏子。但是这个比喻也不够恰当，因为和原子中的情况相比，核在整个果子中所占的体积就显得太大了。更恰当一点的比喻是像个小小的太阳系，中心是带阳电荷的原子核，外面绕着核转的是带阴电荷的电子。不同的是：在太阳系中，行星绕太阳转，靠万有引力；在原子中，电子绕着原子核转，靠异性电荷的吸引力。
1911年10月，卢瑟福在卡文迪许实验室科学年会上作了报告。他详细介绍了他们的实验，提出了新的原子模型。他通过理论计算，证明金原子的半径是0。000000016厘米，而金原子核的半径大约只有0。000000000003厘米。他指出，原子核的体积虽然小，但是原子的质量几乎全集中在原子核上。原子的质量越大，原子核带的阳电荷就越多，外围的电子数目也就越多。
精密的实验、严格的理论，使到会的科学家人人信服，都接受了卢瑟福的新的原子模型。
现在，这个模型比当时又发展了。原来，电子绕原子核运动并不像行星按固定的轨道绕太阳转。电子在原子核外面的运动有时分布成球形；有时分布成为对称的椭球或别的形状，这叫做“电子云”。
玻尔和莫斯莱的贡献
一个新的原子模型建立了，但是还不完善，还有许多问题。
按照卢瑟福的模型，带阴电荷的电子靠异性电荷的吸引力，围绕着带阳电荷的原子核运动。但是，一些物理学家提出了疑问。
他们指出，根据已经知道的电磁运动的规律，电子在运动的时候会放出电磁波（能量）。因此，绕着原子核旋转的电子，因为能量逐渐减小，应当沿着一条螺旋形的轨道转动，离中心的原子核越来越近，最后碰在原子核上。这样一来，原子就被破坏了。
实际上，原子很稳定，有一定大小，并没有发生这种电子同原子核碰撞的情况。这又怎样解释呢？
曾经作过卢瑟福的研究生的丹麦科学家玻尔研究了这个问题。他应用当时物理学中新发展起来的量子论，指出电子按着固定的轨道围绕原子核运动的时候是不会放出能量的，所以电子不会掉到原子核上去。他还指出，电子在原子核外面只能在一定的轨道上运动。他提出了核外电子排列的规律。这就是有名的玻尔模型。
卢瑟福也在继续指导他的助手做实验。他们用各种方法测定各种元素的原子核所带的阳电荷数。
1913年，他的学生莫斯莱发现元素在周期表上的排列次序，原来就是原子核带的单位电荷数。当然，在原子核外面也有同样数目的电子。他把元素的原子核所带的单位电荷数叫做原子序数。
莫斯莱的原子序数，玻尔的原子模型，把元素周期律解释得更清楚了。他们的发现很重要，直到今天，全世界的中学和大学的物理、化学课本中都要详细介绍。
在周期表中还有多少空当呢？以前只能说大体上清楚，而且还说不清道理。比如，在氢和氦之间会不会还有没发现的元素？根据相对原子质量来看，氢是1，氦是4，中间可能有2和3的空当，于是就有许多人去找相对原子质量为2和3的新元素，当然他们不可能找到。
如今根据原子序数，也就是核电荷数来看，氢是1，氦是2，中间不再有空当，人们就知道，相对原子质量为2和3的新元素是不会有的。
一些新发现的元素，如钋、镭、锕和氡等都在周期表上找到了自己的位置。可是对放射性的继续研究又提出了新的问题。
这又得从头讲起。
搜索新元素
在刚开始发现放射性的时候，人们认为放射性元素是永远不停地放射着射线的。经过进一步的研究，发现这种看法并不正确。
例如，一小管氯化镭的放射性是会慢慢减弱的。经过长时间仔细测量，发现一定量的镭的放射性，经过1622年就要减弱一半，这表示镭已经减少了一半。铀减少的速度更慢，要4510000000年才减少一半。放射性强度减弱一半所需要的时间叫做放射性元素的半衰期。不同的放射性元素的半衰期是不一样的。
用测量放射性半衰期的办法，可以分辨不同的放射性元素。
在20世纪初，寻找放射性元素的科学研究在各国的实验室里进行着。
那位老克鲁克斯在研究铀，他用碳酸铵从钠盐的溶液中沉淀出来一种物质。这种物质不是铀的化合物，但是有极强的放射性，半衰期只有24天。他认为这里面含有新的放射性元素，取名叫铀X＇＇＇1 。
卢瑟福和索地在硝酸钍溶液中加上氨水，钍都沉淀了，剩下的溶液还有放射性，半衰期只有3天多。这又是一种新的放射性元素，他们给它取名叫钍X。
又有人研究镭射气，把一根金属针放在镭射气里，过了一段时间，这根金属针也“传染”上了放射性。研究的结果，是针的表面上沉积了一些放射性物质，分离开来有三种，起名叫做镭A、镭B和镭C。
几年之内，新发现的放射性元素多极了，有新钍＇＇＇1 、新钍＇＇＇2 、铀X＇＇＇2 、铀Y、铀Z、镭C′、镭D、镭E、镭F、锕X、射锕、射钍……一共三四十种，它们的放射性半衰期都不一样。
发现很多新的放射性元素当然是好事，但是周期表上可没有那么多的空位呀！
有人认为，周期表对放射性元素是不适用的。
事实真是这样吗？
一个假说
科学家们继续研究这些放射性元素的各种性质，不仅研究它们的放射性，还研究它们各自的化学性质和物理性质。
人们发现镭会放出镭射气，钍会放出钍射气，锕会放出锕射气。这三种射气的放射性半衰期完全不一样：镭射气是4天，钍射气是1分钟，而锕射气只有4秒。但是用光谱仪检验这三种射气，发现它们都是同一种元素——氡。同一种元素应该有完全相同的性质，为什么放射性会不一样呢？
卢瑟福的学生哈恩由钍中分离出一种名叫射钍的放射性元素，半衰期是1。9年，但是它的化学性质与钍完全一样。
又有人从钍中分离出来一种放射性元素，半衰期为6。7年，起名叫新钍＇＇＇1 ，它的化学性质竟与镭完全一样。把新钍＇＇＇1 ；和镭混合在一起，就再也不能用化学方法把它们分离开来了。
还有人从镭中分离出一种放射性元素，半衰期是80000年，起名叫鑀，但它的化学性质又和钍完全一样。
索地根据这些新发现的事实提出了一个假说：有一些原子在质量上和放射性上可能是不同的，但是它们的化学性质完全一样。所以，这些化学性质相同而质量和放射性不同的元素，应该放在周期表上的同一位置里，叫做“同位素”。
索地的同位素假说是和卢瑟福的原子的核模型在同一年提出来的，还需要用实验来进一步证实。首先就应该“称量”一下这些同位素的原子，看看它们的质量是否真的不一样。
称量原子核
现在要讲讲卢瑟福的老师汤姆逊这些年在研究些什么了。
前面我们已经讲了他测量阴极射线——电子流的实验。1907年他又开始去研究那些失掉了电子的原子。
大家还记得，汤姆逊使阴极射线穿过带有细孔的阳极而成为一束，测量这束射线在电场和磁场的作用下发生的偏转，求出了电子的电荷和质量的比值。
这一回，他把仪器的高压电极反过来接，原来的阴极变为阳极，原来的阳极变为阴极。结果怎样呢？穿过带细孔的阴极也会射出一束射线。当然，这束射线是带阳电荷的，所以对应的叫做阳极射线。这是带阳电荷的粒子流，也就是离子流。
汤姆逊用和测量电子一样的方法，去测量阳极射线的电荷和质量的比值。
他在管内换用了不同气体进行测量。结果发现，同阴极射线不一样，阳极射线粒子的电荷和质量的比值，随气体的不同而不同，而以前测定阴极射线——电子，气体不同而结果一样。这说明阳极射线是失去了电子的某种原子或分子。
只要知道了离子的电荷，并且测定出它的电荷和质量的比值