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，就能计算出单个离子的质量。
在管内充上氢气，可以测定出失去一个电子的氢原子——也就是氢原子核的质量是：
0。0000000000000000000000017克。
这当然是极小的数值，但是比电子的质量大1836倍。
汤姆逊测量了许多气体的阳离子的质量，发现氦是氢的4倍，氮是氢的14倍，氧是氢的16倍，等等。
在卢瑟福发现原子有核的第二年，汤姆逊用上面的办法研究空气，他发现了质量是氢原子核的20倍的带阳电荷的粒子，这是氖。同时还发现了一种质量是氢原子核的22倍的粒子，这又是什么呢？
汤姆逊换上了纯氖，结果，质量是氢原子核20倍和22倍的两种粒子同时存在。
汤姆逊和他的学生阿斯顿反复试验，最后证实了这两种粒子都是氖。
索地的预言证实了。有两种不同质量的氖原子，一种的质量是氢原子的20倍，另一种的质量是氢原子的22倍，为了区别起见，把它们写作 20 Ne和 22 Ne。
氖的同位素发现了，道尔顿的学说必须修正。同一元素的原子，在质量上并不一定是一样的。
慢慢地，已经发现的那许多放射性元素，都在周期表中找到了自己的位置。它们原来是几种元素的同位素。镭射气、钍射气和锕射气都是氡的同位素；镭A、镭C′都是钋的同位素；钍X、新钍＇＇＇1 都是镭的同位素；铀X＇＇＇1 、射钍、鑀都是钍的同位素……
为什么同一种元素的原子会有不同的质量和放射性呢？这就需要研究原子的心脏——原子核了。
敲开原子核的大门
多年来，汤姆逊兼任着剑桥大学卡文迪许实验室主任和三一学院院长的职务。1919年，他辞去卡文迪许实验室主任的职务，并且推荐卢瑟福做他的接班人。
卢瑟福担任了卡文迪许实验室主任以后，开展的第一件重大的科研工作，就是解剖原子核。
可是，一个金原子核的半径只有0。000000000003厘米，哪里去找一把能切开它的锋利的小刀呢？用锤子打吧，原子核又不是个核桃，要用什么样的锤子呢？为了这件事，卢瑟福想了好久。
他回想起他和盖革一起做过的α粒子散射实验。当时发现有极少数的α粒子会反弹回来，说明这些α粒子是正对着金原子核撞去的，只是由于受到同性电荷的斥力而被弹了回来。能不能设法使α粒子克服斥力，打在原子核上呢？这就需要两个条件。
第一，α粒子的速度要足够大，卢瑟福选用了镭C′（由镭蜕变生成的）放出来的α粒子，它的速度达到19200公里／秒。
第二，同性电荷的斥力的大小与电荷的多少成正比，金原子核有79个单位阳电荷，所以斥力很大。要使α粒子能打到原子核上，这个原子核的阳电荷越少越好，所以要选用列在周期表前面的一些元素。
卢瑟福作了一个可以抽真空的黄铜罐子，罐中放着一片涂有镭C′的小片，它不断地射出快速的α粒子。正对着这个小片的铜罐一端，有个小窗口，窗口上涂着硫化锌。如有α粒子射在窗口上，窗口就会发出闪光。
卢瑟福已经知道放射性元素放射出来的α粒子，在空气中只能通过一定的距离，这叫做α粒子的“射程”。不同的放射性元素放射出来的α粒子的射程是不一样的，镭C′放射的α粒子在空气中能射7厘米远。
在铜罐中涂有镭C′的小片离硫化锌窗口要比7厘米远一些，所以α粒子刚好射不到硫化锌上，在一般情况下，窗口不会发出闪光。
卢瑟福让他的助手马斯登抽掉罐中的空气，换上各种不同的气体来研究。
有一天，马斯登向卢瑟福报告了一个新发现：在罐内充了氢气，本来不发闪光的硫化锌窗口上出现了闪光。但是这闪光和α粒子所发出来的闪光不一样，可能是一种新的粒子。这种新的粒子是什么呢？
用汤姆逊的方法做实验证明，这是一种穿透力很强的速度比α粒子更快的粒子。它不是别的，原来就是失去电子的氢原子——氢核。
解释是这样的：快速的α粒子正对着氢原子核碰去，就像我们弹玻璃球一样，一个球弹在另一个球上，就把另一个球弹开了；由于α粒子的质量是氢核的4倍，所以碰撞以后，氢核以更大的速度弹开去了。
这个实验证明，α粒子确实打到氢原子核上了。
马斯登继续做实验。
他换上了二氧化碳气和氧气，这时候，硫化锌窗口不发生闪光。看来氧核和碳核都比较重，即使受到α粒子碰撞，也弹不远。
换上了氮气以后，窗口上又出现闪光了。难道是α粒子推动了氮原子核吗？这不可能，因为氮原子核的质量要比α粒子大两倍多。进一步的研究表明，引起硫化锌闪光的还是氢原子核。
这又是一个重大发现，卢瑟福的助手们都跑来看，大家热烈地讨论了这个现象。有人提出来：这是α粒子撞击了氮原子核，从氮原子核中打出来的氢原子核。
“这是可能的。”卢瑟福说，“但是，现在下这个结论还早了一点。谁能保证我们用的氮气中没有混人一些氢气或水汽呢？要知道，一个水分子中有两个氢原子，α粒子打到水分子上，也会把氢原子打下来。那就是击破了分子，而不是击破了原子核。”
科学是不容许一点马虎的。
助手们开始更仔细地做起实验来。他们把氮气中的水汽和可能存在的氢气都排除干净以后，再把它充到铜罐内去做实验。结果在α粒子的轰击下，还是出现了高速的氢原子核。
氮原子核真的被α粒子打破了！
是不是还可以打破一些别的元素的原子核呢？他们改装了仪器，又做了不少实验。结果发现，用α粒子射击氖、镁、硅、硫、氯、氩和钾，都会打出高速的氢原子核来。
原子核被打破了！在各种元素的原子核里面，都打出了氢原子核。这说明氢原子核是各种元素的原子核的重要组成部分。卢瑟福给氢原子核起了一个专门名字——质子。
α粒子射中氮原子核，放出来质子，那么氮原子核变成什么了呢？α粒子又到哪里去了呢？这些问题，在当时人们还不太清楚。又过了几年才通过科学实验证明：α粒子打到氮原子核里去了，在放出高速质子的同时，氮原子核变成了氧原子核。
这是一件非常了不起的大事。古时候的炼金术士早就想把一种元素转变成另一种元素，希望能点石成金，他们始终没做到。而如今，在卢瑟福的实验室中，第一次实现了这个古老的幻想。
这是第一次实现的人工核反应。
普劳特假说的复活
1919年，卢瑟福打开了原子核，发现核里面有质子，质子就是氢原子核。看来，原子核可能是由质子组成的。
这就使人们想起100多年前的一个假说。这个假说是在1814年由英国的青年医生普劳特提出来的。他认为各种元素的原子都是由不同数目的氢原子组成的，所以各种元素的原子量都应该是氢的原子量的整数倍。也就是说：氢原子才是最基本和最简单的物质。
他的假说发表以后，有的科学家赞成，有的科学家反对。赞成派和反对派为这个问题争论了一个世纪。那时候，人们都相信道尔顿提出的观点：同一元素的原子，质量是完全一样的。当仔细测定了各种元素的原子量后，发现不少元素的原子量并不是氢的原子量的整数倍，例如氯的相对原子质量是35。5，就不是整数。反对派们有实验为根据，宣布普劳特的假说是胡说八道。
到了20世纪，赞成派慢慢地占了上风了。卢瑟福的发现成为他们更有力的证据：许多元素的原子核里都有氢原子核——质子。
但是，有些元素的原子量不是氢的原子量的整数倍，这又怎样解释呢？
就在卢瑟福发现核中有质子的同一年，汤姆逊的助手阿斯顿也作出了新的贡献。他设计了一种新仪器名叫质谱仪。这种仪器可以把不同质量的原子分开，并且分别“称出”它们的质量。他研究了各种元素，结果发现大多数元素都有不同质量的同位素。
更有意思的是，他发现各种元素的同位素的质量，差不多都是质子的质量的整数倍。
阿斯顿的仪器不仅能测定每一种同位素的质量，而且能测出某一种元素中几种同位素含量的百分比。
他发现氯有两种同位素：一种的质量是质子的35倍—— 35 Cl；另一种的质量是质子的37倍—— 37 Cl。他还测出在天然的氯中， 35 Cl占75。4％，而 37 Cl占24。6％。
天然的氯是由两种质量不同的同位素组成的，那么氯原子的平均质量是多少呢？这很容易计算：
35×75。4％＋37×24。6％
———————————＝35。5
100％
也就是说，氯原子的平均质量是氢原子的质量的35。5倍，正好和过去测定的结果一致。
35。5的谜解开了。普劳特的假说又复活了。普劳特是对的，而道尔顿的关于同一元素的原子质量完全一样的观点错了。
但是要承认普劳特的假说是科学真理，也还有一些问题没有解决。
普劳特的假说认为各种元素的原子都是由不同数目的氢原子组成的。
按照普劳特的观点，当然就应当认为各种元素的原子核都是由不同数目的质子组成的。
已经测定了，一个氢原子核——质子带有一个单位阳电荷，一个氦原子核——α粒子带有两个单位阳电荷，一个氧原子核带有8个单位阳电荷。可是，一个氦原子核的质量是质子的4倍，一个氧原子核的质量是质子的16倍。要是认为氦原子核是由4个质子构成的，质量对了，但是电荷的数目不对，少了2个阳电荷。如果认为氧原子核是由8个质子组成的，电荷数目对了，但是质量又少了一半。这个矛盾究竟应当怎样解释呢？
还有一个问题：由于同性电荷相斥，几个带有阳电荷的质子应该是很难结合在一起而形成较重的原子核的。可是在各种化学元素中，除氢之外，其他元素的原子核的质量都比质子大，从大几倍一直到大200多倍。这又怎样解释呢？
这时候，人们想起了1913年居里夫人提出的一个原子核的模型：原子核是由阳电荷和电子组成的。显然，这阳电荷就应该是质子。
原子核的模型
在过去，人们认为构成宇宙间万物的基本砖石是化学元素，是各种原子。而现在，情况变了，人们发现构成宇宙间万物的基本砖石只有两种——质子和电子。各种元素的原子，不过是由这两种基本砖石造成的预制件。把这些预制件以各种形式搭配起来，就可以建成千变万化的物质世界。
用这两种基本砖石是怎样造成预制件的呢？科学家们提出了质子…电子模型：
第一号预制件就是氢，它是由一个质子的核心和绕着质子旋转的一个电子构成的。
第二号预制件是氦，它的核是由四个质子和两个电子组成的。一个质子带有一个单位阳电荷，一个电子带有一个单位阴电荷，在氦原子核中，两个电子的阴电荷中和了两个质子的阳电荷，所以氦原子核显示出来的是两个单位阳电荷。而绕着氦原子核转的电子相应的也正好是两个。
在原子核中，带阴电荷的电子像胶水一样把较多的带阳电荷的质子粘在一起。科学家们非常简单地把一些困难问题都解决了。
为了更清楚地标明各种预制件的情况，人们把第一个预制件用 1 1 H表示，在左上角的1表示原子核的质量数，也就是原子核中的质子的数目，左下角的1表示原子核的阳电荷数，也就是原子序数。
第二个预制件是 4 2 He。这说明氦原子核中有4个质子，带两个阳电荷。当然为了中和多余的阳电荷，核中还应该有2个（4－2＝2）电子。
只要有质子和电子，就能搭配成各种预制件。例如，周期表上第8号元素氧是 16 8 O。显然，它的原子核要用16个质子和8个（16－8＝8）电子组成，而核外的电子是8个。
周期表中第17号元素是氯。阿斯顿发现氯有两种同位素，所以这种元素又分为两种原子：一种影 35 17 Cl，它的原子核是由35个质子和18个（35－17＝18）电子构成的；另一种是 37 17 Cl，它的原子核是由37个质子和20个（37－17＝20）电子构成的。这两种原子外围的电子数都是17。
这一切是多么简单啊！只要用最简单的加减法就能解决问题。
那些天然放射性元素可以看作是一些大型预制件。这些预制件不很牢固，常常会自动掉下一两块东西，就变成另外型号的预制件。
居里夫人发现的镭的符号是 226 88 Ra，它放射出α粒子——也就是氦原子核 4 2 He，结果变成镭射气——氡 222 86 Rn。我们可以写成一个原子核反应方程：
226 88 Ra→ 222 86 Rn＋ 4 2 He
氡还要继续放射出α粒子，反应方程是：
222 86 Rn→ 222 86 Po＋ 4 2 He
你们看，在反应方程的箭头两边，元素符号左上角的数目的和是相等的，226＝222＋4，222＝218＋4；元素符号左下角的数目的和也是相等的，88＝86＋2，86＝84＋2。
很清楚，一种放射性元素放出α粒子以后，它的原子核的质量数就减少4，阳电荷数减少2。结果，这种元素就蜕变为原子序数比它少2的另一种元素。88号元素镭放出α粒子蜕变成86号元素氡，86号元素氧放出α粒子蜕变成84号元素钋。 222 84 Po是钋的一种同位素，最初发现时把它叫做镭A（RaA）。卢瑟福实现人工核反应用的镭C′，也是钋的一种同位素—— 214 84 Po。
放出β射线的情形又怎样呢？这也很简单，β射线就是电子流。由于电子的质量仅仅是质子的1/1836，可以当作零，它的符号可以写成 0 …1 e，通常简写成e … 。
天然的锕是 227 89 Ac，它放出β射线后变成了钍的同位素。也就是：
227 89 Ac→ 227 90 Th＋ 0 …1 e
反应方程式的箭头两边：元素符号左上角