1896年被欧内斯特·卢瑟福称为量子革命的起点，因为那一年亨利·贝克勒尔[10]（HenriBecquerel）在他位于巴黎的实验室中发现了放射性。当时贝克勒尔正在尝试使用铀化合物来产生数月前在维尔茨堡由威廉·伦琴[11]（WilhelmR?ntgen）发现的X射线，结果却发现，铀化合物发出的“铀射线”（法文：lesrayonsuraniques）能让感光底板显影，即使将底板和铀化物用厚厚的纸包着，完全不透光，也有同样的效果。大科学家亨利·庞加莱[12]（HenriPoincaré）早在1897年就意识到铀射线的重要性。当年，他在一篇综述论文[13]中预见道：现在可以认为，这一发现“将开启通往全新未知世界的道路”。放射性衰变的费解之处在于，它似乎不需要外力触发，射线只是从物质中自发又不可预测地产生了。事实证明，这正预示着接下来要发生的事。
在1900年，卢瑟福注意到一个问题：“同一时刻形成的所有原子都应在相同的时间间隔中存续。然而，这与已观察到的转变法则——‘原子的寿命包含从零到无穷的所有值’相矛盾。”这种微观行为的随机性让人震惊，因为在此之前，科学是绝对确定性的。如果在某时某刻，你知道了关于某事物可知的一切，那么可以确信，你能绝对肯定地预测，这件事物将来会如何。这种可预测性的崩溃是量子理论的一个关键特点：量子理论处理的是概率，而不是确定性。这不是由于我们缺乏确切的知识，而是因为大自然的某些方面在本质上就是由“或然律”支配的。所以我们现在明白，预测某个特定原子何时衰变，这根本就不可能。放射性衰变是科学第一次与大自然的骰子戏法相遇，许多物理学者因此困惑了很长时间。
尽管原子内部的结构还完全不清楚，但显而易见的是原子内部正发生着什么神奇的事。终于，在1911年，卢瑟福用放射源产生的所谓α粒子（后来被证实为氦-4原子核），轰击一张极薄的金箔的时候，得到了关键性的发现。他与合作者汉斯·盖革[14]（HansGeiger）及欧内斯特·马斯登[15]（ErnestMarsden）惊愕失色地发现，约每8000个α粒子中，就有一个出人意料地未能穿过金箔，而是直接被弹回来。后来卢瑟福用他特有的生花妙笔描述了这个发现时刻：“这真是我人生中最匪夷所思的事。基本上就像你对着一张纸巾发射15英寸[16]的炮弹，它却弹回来轰中了你一样匪夷所思。”众所周知，卢瑟福是个有趣但又实事求是的人，他曾经形容一位妄自尊大的官员“和欧氏几何中的点一样有地位却无足轻重”。
通过计算，卢瑟福发现，只有把原子的内部结构视为中心处有一个很小的核，而电子沿绕核轨道运动时，才能解释他的实验结果。当时他脑海中很可能浮现出了沿环日轨道运动的行星。原子核几乎囊括了原子全部的质量，因此它才能挡住并弹回被卢瑟福称为“15英寸炮弹”的α粒子。以最简单的氢元素为例，它的原子核只含有一个质子，半径约为1.75×10－15米。跟不熟悉的读者解释一下，它的意思是0.00000000000000175米，或者用文字表述，就是略小于两千兆分之一[17]米。就目前所知，氢原子中的一个电子，正如卢瑟福描述那位自以为是的官员所说，呈点状；而且它绕核运动的轨道半径约为原子核直径的100000倍。原子核带正电荷，而电子带负电荷，这意味着它们之间有吸引力，类似于将地球固定在其环日轨道上的引力。反过来讲，这又意味着原子基本上是空的。如果把原子核放大成网球，那电子会比灰尘颗粒还小，而它的运动轨道将在一千米以外。联想到生活经验，这些数字会让人大吃一惊，因为由原子组成的固体摸起来可完全不像是空的。
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