4、电子存在的确证
在放射性问题的研究暂时处于停滞不前的时期，对阴极射线本性的探讨却相当活跃，结果导致了电子的确证，这当然也与x射线的发现的激励有关。
确证电子的存在是沿着两条不同的途径进行的：一条是J.J.汤姆逊对阴极射线粒子荷质比的测定，另一条是洛伦兹、塞曼根据电子论对塞曼效应进行理论分析。J.J.汤姆逊在1897年苦苦思索了前述的勒纳得实验(1894年勒纳得让阴极射线通过用0.000265cm厚的铝箔做成的小窗，成功地将阴极射线引到放电管外，这被看作是以太振动说的证据)，他认为这个实验恰恰证明，阴极射线的粒子比原子小，因为原子是不能穿透铝箔的。他也发现，阴极射线在磁场中的偏转与残留气体无关。
汤姆逊1897年4月30日在英国皇家学会首次讲述了他的看法：阴极射线是由比原子小的带电粒子组成的。接着，他发现阴极射线之所以在磁场中不偏转，是因为它使放电管内的稀薄气体具有导电性的缘故。于是，他提高了放电管的真空度，并加上适当的高电压，成功地使阴极射线在电场中得以偏转，他由此得出结论说，阴极射线是带负电荷的物质粒子。
阴极射线是原子，是分子，还是其他物质微粒呢？为了弄清这个问题，汤姆逊就这些粒子的质量和它们所携带的电荷之比(即荷质比e/m的倒数m/e)进行了一系列的测量。他使用了两种独立的方法。
第一种是热学方法。使阳极射线在强度为H的磁场中偏转，设其偏转的曲率半径为P。用验电器测得粒子所携带的电量，用量热器测量粒子打到固体上放出的热量。假定粒子的动能全部转化为热能，这样一来即可算出粒子的速度和荷质比。
第二种是电场、磁场偏转法，这种方法是根据在均匀电场中通过既定距离时所产生的偏转角，和在均匀磁场中通过既定距离所产生的偏转角来计算的。汤姆逊用第二种方法测得的m/e值是1.1～1.5×10^-7克/静电单位，用第一种方法测得的也是10^-7的数量级(现在的值是e/m＝1.76×10^7静电单位/克，即m/e＝0.596×10^-7克／静电单位)，这与离子的m/e相比要小得多。是因为质量m小呢，还是电荷e大呢，或者是两种情况同时并存呢？汤姆逊根据阴极射线的平均自由程断言，阴极射线粒子与普通分子相比必定相当小。
1897年8月初，汤姆逊将上述实验结果汇集在“阴极射线的论文中，该文于同年10月发表在《哲学杂志》上。在文章开头，汤姆逊闻述了带电粒子说比以太振动说更为优越的理由，他在文章结束时做出结论：“在阴极射线中，物质以某种新的状态存在着。就这种状态而言，物质的微粒比通常的气体状态远远为小，……而且，处于这种状态的微粒就是构成一切化学元素的材料。”汤姆逊在这里把这种粒子叫作“微粒”(Corpuscle)，后来他采纳了斯托内1891年提出的建议，把这种粒子命名为“电子”。
另一方面，塞曼在1896年发现，钠火焰在电磁铁的作用下，D线比通常情况下变宽了，这就是所谓的“塞曼效应”。塞曼认为洛伦兹的电子论能够解释这一现象，马上就把自己的发现和考察情况告诉他。洛伦兹立即说明了计算磁场中离子的方法，而且指出塞曼实验中变宽的谱线的两侧周边的光应该变成圆偏振光或线偏振光。
塞曼根据洛伦兹的提示，果然观察到这一预言的现象，并由谱线的宽度计算出带电粒子的e／m，其值也是10^7的数量级，并且可以根据偏振光的左旋或右旋决定带电粒子的正负。塞曼于1896年10月在荷兰阿姆斯特丹科学院报告了这一情况。第二年5月到10月，他进一步报告了精密测定和计算的数值是e／m＝1.6×10^7静电单位／克。汤姆逊和塞曼两人殊途而同归。
这样一来，关于电子的存在问题在1897年已基本得到确证。但是，由于实验测量和理论计算得到的仅仅是荷质比，粒子比原子小只不过是推断而已，因此还有不少人对此将信将疑。确定电子的电荷和质量，自然成为下一步追求的目标。
J.J.汤姆逊选定了测定电荷的道路，他的学生汤森在1897年朝这个方向迈出了第一步。在此之前，人们就已推知，电子所带的电量与氢离子相同，其他物质粒子所带的电荷都是它的整数倍。
汤森测定了硫酸或苛性碱溶液电解时产生的氢离子的电荷。他让带电氢气通过饱和水蒸气，水蒸气便以氢离子为核而形成雾，他假定雾滴是分别以一个离子为核而生成的。一立方厘米气体所带的电荷可用象限静电计测定，雾滴的数目可让含雾的气体通过充满干燥剂的管子，由管子重量的增加可知形成雾的水的总重量。接着测定雾滴自由下落的速度，根据斯托克斯定理(以速度v在粘滞系数为μ的流体中运动的半径为a的球，受到大小为6πμav的阻力。该定理是斯托克斯在1850年根据流体力学的近似计算从理论上导出的)，求出雾滴的平均质量，这样就能得到雾滴总数。总电荷数除以雾滴总数即是单个氢离子的电量，汤森测得的值是e≈3×10^-10静电单位。这种方法的缺点在于其中包含着离子数与雾滴数相等的假定，此外计算中所用的斯托克斯定理还未在实验上得到确证。
汤姆逊在1898年也做了类似的实验，只是求单位体积的总电量和雾的总质量的方法不同。他使雾滴在加有小电位差的电极板间移动，测出流过的总电量。雾的总质量是根据水气的膨胀比来推断的。汤姆逊测得的电量值和汤森的大致相同，他的方法也具有同样的缺点。
1903年，威耳逊想出了避免不明确假定的方法。他在水平放置的电极板间充入雾，求加电压与不加电压时雾滴的下降速度。如果根据所托克斯定理求出了雾滴的质量，那就能由两种速度之比计算出雾滴的电荷。威耳逊测量了顶端的雾滴的下落速度，这相当于测出了最小荷电粒子的下落速度。因此，可以认为他测出的值表示了单位电量。但是，威耳逊测得的值不仅波动相当大，而且包含着两个不能令人满意之处：其一是利用了未经确证的斯托克斯定理；其二是观察雾滴的整体行为还不能断言确实测定了单个离子的电荷。
密立根是在一个不寻常的时期(1896～1897)开始他的专业生涯的，这位十分尊重迈克耳逊方法论原则的美国物理学家，从1906年到1917年多次测量了基本电荷e的值。密立根认为，前人对e的测量包含着“全部理论上的不确定性”和“实验上相当可观的不准确性”。
他找到了引起误差的四点原因：1、液滴下落经过的空气不是完全静止的；2、所加的电场不均匀；3、液滴在下落过程中逐渐蒸发；4、假定斯托克斯定理对于下落的液滴来说完全正确。并在实验装置方面进行了重大的技术改进。尤其是，他用不易挥发的油滴代替了易蒸发的水。
密立根的实验是这样的：让小油滴在两个水平放置的金属平板间的空气中上下运动，两板相距16厘米，并用弧光灯照亮油滴。首先，从距装置2英尺外用望远镜观察测量某一油滴只受重力作用从上部下降某一距离所需的时间，求出它的下降速度。然后，在两板间加上3000～8000伏／厘米的电场F，作用在油滴上的合力就使油滴徐徐上升，测量油滴上升到一定距离所需的时间，求出上升速度，再利用油滴与空气间的粘滞系数以及当地的重力加速度和修正了的斯托克斯定理，即可根据导出的公式计算出电荷的值。
密立根1917年测得的值是4.774(±0.005)×10^-10静电单位(现在的精确值是4.083×10^-10静电单位)。其实，汤姆逊1898年的实验无疑已确证了电子的实际存在。正如他明确指出的：电子是原子的构成要素，所谓带电，本质上是原子质量的一部分自由地脱离了原来的原子，而使原子发生分裂的一种现象，这种分裂是电子从原子分离出去而产生的。余下的部分原子带正电，与电子相比，它具有更大的质量，起着正离子的作用。
尽管如此，密立根在他的《自传》中还是坚持认为，他的结果表明“电子本身……既不是不确定的，也不是一个假设，它是一个新的实验事实，是我们这一代人第一次看到的实验事实。”不过，应该看到，密立根的精密测量不仅获得了不可能用那个时代的实验手段来加以改进的最终结果，而且还具有另外的异乎寻常的意义——e值成为决定其他物理量常数的重要基础。
5、居里夫妇发现了新的放射性元素
“山穷水尽疑无路，柳暗花明又一村”。在放射性研究方面，正当科学家走投无路之际，居里夫妇在1898年初以敏锐的眼力和坚韧不拔的毅力摆脱了迷宫，开辟了一个新天地。
居里夫人原名是玛丽·斯克罗多夫斯卡，1867年11月7日出生在波兰华沙一个教师家庭。中学毕业后，由于家境贫寒，她不得不搁置深造的计划，当了六年家庭女教师，但她仍利用不多的空闲时间坚持学习。1891年，她动身去巴黎，在索邦大学攻读物理学。1893年，她以第一名考取物理学硕士学位，1894年又以第二名考取数学硕士学位。在准备实验研究、撰写毕业论文期间，她遇上了实验物理大师皮埃尔·居里，他们于1895年结婚。从此，居里夫人和她的丈夫开始了共同的科学生涯。她两次荣获了诺贝尔奖，成为科学史上最杰出的女科学家。
居里夫人猜想，铀射线是铀原子本身的性质，是否还存在其他一些象铀一样的元素呢？带着这个问题，她利用居里制作的象限静电计进行电荷测量(这种方法比感光法可靠得多)。具体做法是这样的：将试验用的铀或钍的化合物放在互相平行且相距3厘米的两极板间，两板加上100伏的电位差，用静电计量度通过的电流。结果发现，钍象铀一样，也具有放射性。她于1898年4月12日在《法国科学院会议录》上宣布了这一发现(同年4月15日德国人施密特也宣布了同样的结果)。在1898年之前，铀被看作是唯一的放射性元素，钍放射性的发现开阔了人们的视野。
钍放射性的发现，使居里夫人肯定了原来的猜想。在当时，把放射性视为元素本身的性质是一个明显的进步。居里夫人观察到，沥青铀矿和铜铀云母的放射性比根据铀的含量计算出的要强得多，她确信，这些矿石可能含有一种比铀的放射性还要强的元素。
研究工作进入下一阶段。居里夫人明知浓缩放射性物质需要付出繁重的劳动，但她还是知难而进。居里受到她的坚强信念的感召，也中断了自己的研究。就这样：居里夫妇利用奥地利政府提供的几吨废铀渣，在既象马厩，又象土豆窖的“实验室”内，开始了艰巨的化学处理和繁复的物理测量工作。他们发现，与沥青铀矿相比，从中分离出的硫比铋和硫化钡两种制剂具有更为强烈的放射性。如果把硫化铋在真空中加热到700℃，那么易于挥发的放射性成分便沉积在管子的冷处，这种升华物比铀的放射性强400倍。他们把这种经过确定的类似铋的金属叫做“钋”，以纪念居里夫人的祖国—波兰。1898年7月18日，居里夫妇把工作结果和尝试性的结论报告给法国科学院。
居里夫妇接着检查从沥青铀矿分离出来的能产生放射性的钡的化合物。通常的钡没有放射性，按照居里夫妇的假设，其中必定还有另一种未知的放射性元素。有证据表明，这种元素的放射性比钋还强，并且在化学性质上类似于钡，新元素被命名为“镭”。到1898年12月26日，他们确定镭的放射性比铀强900倍，到1899年又确定为7500倍，几个月后又增大到10万倍。他们还发现，如果把钋或镭的化合物和磷光物质叠在一起，那么磷光物质便持续发出微光，象一个光源一样起作用，可是外界并没有供给它能量。
居里夫妇花了三年半时间确定镭的原子量。居里夫人还克服了巨大的困难，终于在1902年提炼出0.1克纯镭，并测得其原子量是225(而不是目前的226)。就这样，居里夫妇依靠敏锐的判断和惊人的毅力，在极为艰苦的条件下从事繁重的劳动(居里夫人在这几年体重减轻了十公斤)，终于取得了丰硕的成果。这样动人的事例，在科学实验的历史上谱写出新的篇章。
象伦琴一样，居里夫妇也放弃了他们的研究成果的专利权，他们认为专利保护是同科学精神相抵触的。居里夫人说：“镭不应当成为任何个人发财致富的工具。镭是元素，它属于全世界！”她认为：“在科学中，我们应该关心的是事物，而不是个人。”
对于放射性现象的解释，进展是比较缓慢的。居里夫人自己也承认，这是由于实验数据说明，铀、钍、镭，可能还有锕的放射作用都是恒定的。虽然1902年发现了钋的放射性衰减，但她认为这是一个例外。尽管从1899年1月以来，居里夫妇就想到放射性物质的不稳定性，但是由于他们受到当时在法国流行的实证主义和唯能论思潮的影响，这不仅使他们过于谨慎，而且事先就倾向于一种毫无结果的热力学模型。他们错误地认为，放射性物质的射气(Emanation)不是普通的物质，而是一种能量，从而妨碍了他们走卢瑟福在1903年所走的道路。
6、卢瑟福和索迪提出嬗变理论
在1899年以前，物理学家关心的只是新的放射性物质的研究。当时在加拿大工作的英国物理学家卢瑟福从1899年开始研究放射性时起，就把他的注意力放在仔细研究放射性的本性上。
卢瑟福1871年生于新西兰的一个手工业工人家庭。1895年大学毕业后到英国剑桥大学卡文迪许实验室实习，成为该实验室主任J.J.汤姆逊的学生和助手。1898年，在汤姆逊的推荐下，他担任加拿大麦基尔大学的物理学教授。1907年，他返回英国，任曼彻斯特大学教授。1918年他接替退休的汤姆逊的职位，1925年他当选为英国皇家学会主席。
卢瑟福利用铝箔检查铀射线的贯穿本领。他发现，铀射线由两种辐射构成：一种贯穿本领小，他命名为α辐射；另一种贯穿本领比α辐射强100倍左右，他称之为β辐射。几个月后，β辐射的粒子本性几乎同时在德国和法国通过磁场中的实验揭示出来了。1900年1月8日，居里也报告了他的实验结果，镭射线也由两部分组成：一种显然是不偏转且易吸收的(现在知道是α射线)，另一种有贯穿本领且能被磁场偏转(现在知道是β射线)。1900年4月30日，维拉德报告，他发现了一种贯穿本领极强且不受磁场偏转的射线，这被叫做γ射线。
就在1900年，居里夫妇把β射线收集在金属圆筒内，确定它带负电荷。同年，贝克勒尔根据β射线在电场内及磁场中的偏转，测定了所设想的β射线粒子的荷质比，得到与电子荷质比大体相同的数值，这就证明了β射线是高速运动的电子。
关于α射线，卢瑟福从1902年起做了一系列工作，使α射线在磁场中弯曲，测定它的荷质比及所带电荷，最后在1909年根据光谱分析确认，它是氦的二价正离子。
至于γ射线的本性，从1900年发现以来一直存在着粒子说与电磁波说之争，又是卢瑟福在1914年根据晶体对γ射线的衍射证明，后一种说法是正确的。
从1899年开始，卢瑟福和其他人也研究了放射性物质的射气和淀质(deposit)，而且发现了放射性物质蜕变的指数规律。在这些工作的基础上，卢瑟福与化学家索迪合作，从1902年9月起先后发表了四篇开创性的论文，提出了如下内容的放射性嬗变说。1、射线的放出伴随着放射性物质转化为其他种类的新物质；2、射线是由带电粒子组成的，其粒子放出本身就是一种放射性变化；3、在发生放射性变化时，化学原子被破坏了；4、由实验发现的指数规律可以导出放射性变化的规律。
对于放射性现象的发现和嬗变说，起初也遭到坚持旧观念和传统偏见的人的反对。例如，斯托克斯在1897年的讲演中还用一个明显偏爱的力学模型解释铀射线的折射和偏振，他认为铀分子是一种末端很轻的柔韧的链条状的东西。发现元素周期律的俄国大科学家门捷列夫依然固执已见：“关于元素不能转化的概念特别重要，……这是整个世界观的基础。”他自己不仅对新事物表示怀疑，而且还鼓动青年人和其他科学家不要相信它们。还有相当一批人反对放射性元素本身潜藏着大量的能的观点，他们千方百计地从外部寻求能源。
可是在1903年3月16日，居里和拉博德报道了镭的热效应。卢瑟福和巴恩斯在1904年2月测定了每克溴化镭的热发射是65卡／小时，每克纯镭是110卡／小时。可是从外部寻求能源的做法却一事无成，结果放射性嬗变说得到公认。
1903年前后，卢瑟福和索迪的原子嬗变理论以及居里和拉博德的镭的热效应的发现又一次引起了轰动，放射性的研究又掀起了一个新的高潮。据统计，从贝克勒尔发现放射性起到1902年10月31日为止的七年间，出现在《自然》杂志各种索引中关于放射性的条目总共才有大约60个，而在接着的两年内，同样的条目多达260个。
各种普及杂志和报纸也充满着热情洋溢的标题。如美国圣路易斯1903年的报纸这样写道：“自然界最神秘的物质“镭”，“它的威力将是不可思议的”。卢瑟福1904年出版了《放射性》一书，总结了在此之前的各种研究成果。书中不仅列举了在这一领域做出杰出贡献的五位著名人物(贝克勒尔、居里夫妇、卢瑟福、索迪)，而且还提到了65个人的名字。
此后，关于原子蜕变的研究一直稳步发展着。从1904年起，人们逐步搞清了铀、钍、钋三个放射性元素的系列。索迪于1913年发现了放射性蜕变的位移定律，在此稍前的1910年，他就提出了同位素的假说，这一假说在1914年获得实验证明。1919年，卢瑟福用高速的α粒子轰击氮原子核，第一次实现了原子核的人工蜕变。在卢瑟福的指导下，科克罗夫特和沃尔顿于1923年用70万伏高压加速的质子轰击锂。这个实验是首次完全人为的核蜕变。从此，许多人都开始进行类似的实验。在原子物理学的早期发展中，卢瑟福做出了不可磨灭的贡献，为此获得1908年度的诺贝尔物理学奖。
7、原子结构模型
随着实验研究的进展和理论探讨的深入，关于原子结构的理论也日臻完善，各种原子模型相继问世。其中有洛伦兹的弹性束缚电子(1896年)，开耳芬的包含电子的正电云模型(1897年)，勒纳得的动力子概念(1903年)，J.J.汤姆逊的正电原子球无核模型(1904年)，长冈半太郎的土星系模型(1904年)，里兹的磁原子(1908年)，卢瑟福的有核模型(1911年)，玻尔的半量子化原子模型(1913年)。其中，汤姆逊、卢瑟福和玻尔的模型是影响较大的几种。
J.J.汤姆逊在1904年提出，原子好象一个带正电的球，这个球承担了原子质量的绝大部分，电子作为点电荷镶嵌在球中间。这种“葡萄干蛋糕”式的无核模型是汤姆逊企图解释元素化学性质的周期性而反复思考出来的。汤姆逊假定，原子辐射是由于电子在它们的平衡位置附近的感应振荡。洛伦兹在1906年也提出了类似的无核模型。
卢瑟福开始也相信无核模型，他想和他的合作者盖革、马斯登通过研究α粒子的散射来加以确证。他们1909年的实验表明，散射角是极小的。可是在1910年的实验中，他们却发现也有极少数(万分之一)超过90°甚至达到180°的大角度散射。根据统计理论计算，只有比1%少得多的α粒子的散射角大于3°，而散射角超过90°的几率只有1／10^3500。
对此，卢瑟福深表惊讶：“这是我一生中从未有过的最难以置信的事件。它的难以置信好比你对一张纸射出一发十五英寸的炮弹，结果却被弹了回来反而打在自己身上。经过思考，我认为反向散射必定是单次碰撞的结果，而当我作出计算时看到，除非采取一个原子的大部分质量集中在一个微小的核内的系统，是无法得到这种数量级的任何结果的。这就是我后来提出的原子核心具有小体积和大质量的想法。”在这个实验的基础上，卢瑟福于1911年提出了有核模型，它与长冈1904年的土星系原子模型相类似。
在卢瑟福的有核模型中，原子中心有一个质量几乎等于原子总质量的核，核所带的电荷等于Ze(Z为原子序数，e为电子的电量)。在原子核的周围，在比原子核半径约大一万倍的地方存在着Z个电子，从而整个原子呈电中性。但是，这个原子模型是不稳定的。因为电子在行星轨道中是不断加速的，根据经典电磁理论，它应该不停地辐射出能量，最终必将落入原子核中。
为了克服这个困难，玻尔在1913年依据当时的实验事实提出了一种半量子化的原子模型，后来又经过索末菲等人的修正和改良，成功地解释了元素周期律和其他原子现象。在本世纪二十年代以后，人们通过实验不断揭示出原子内部的奥秘。随着量子论的发展和量子力学的建立，原子结构理论成为它的一个分支，才获得了明确的理论阐述。
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