α离子是由铀，镭这样的物质自发地辐射出来的带正电且非常微小的粒子，卢瑟福已经在1899年发现了它们，1908年，他打算精确地测出α粒子的荷质比，为了实现这个目的，首先要知道他的铀样品放射出多少α粒子，之后测量总电量，再除以粒子数.α粒子非常小，用显微镜看不到，但是卢瑟福知道它们能电离空气分子，因此如果将空气隔绝在电场中，离子就会产生电流.根据这个原理，卢瑟福和盖革设计了一个装在玻璃管中，由两个电极组成的简单的计数装置.每一个通过玻璃管的α粒子都会产生一个可以数的电脉冲，这就是盖革计数器的早期版本.

盖革和卢瑟福设计的计数器被证明并不可靠，因为α粒子与空气分子在探测腔内碰撞时会被强烈地偏转.变化多端的轨迹意味着每一个α粒子并不都产生同样数量的电离离子，因此读出的数据不正确.这个问题令卢瑟福十分困惑，因为他曾经以为α粒子非常重以至于不可能被撞出那么大的偏转，于是卢瑟福让盖革实验一下，看看有多少物质会散射α射线.

α粒子散射的实验完成于1909年.在那时代，原子被认为类比于梅子布丁（物理学家约瑟夫•汤姆孙提出的），负电荷（梅子）分散于正电荷的圆球（布丁）.假若这梅子布丁模型是正确的，由于正电荷完全散开，而不是集中于一个原子核，库仑位势的变化不会很大，通过这位势的α粒子，其移动方向应该只会有小角度偏差.

他们设计的实验包括用α粒子轰击金属薄片，来观察薄片的厚度和材料与散射α粒子的关系，他们用荧光屏测量粒子的轨迹，每一个α粒子对荧光屏的冲击都会产生一个非常微小的闪光.盖革在一个暗室工作了好几个小时，用显微镜计数这些火花.卢瑟福缺乏这种忍耐力，这就是为什么要他的年轻同事来做的原因.他们使用了很多金属薄片，但是比较喜欢金箔，因为金箔的延展性使得可以制作得非常薄，而且使用放射性比铀强几百万倍的镭.

在卢瑟福的指导下，盖革和马士登发射α粒子束来轰击非常薄、只有几个原子厚度的金箔纸.然而，他们得到的实验结果非常诡异，大约每8000个α粒子，就有一个粒子的移动方向会有很大角度的偏差（甚至超过 90°）；而其它粒子都直直地通过金箔纸，偏差几乎在2°到3°以内，甚至几乎没有偏差.从这结果，卢瑟福断定，大多数的质量和正电荷，都集中于一个很小的区域（这个区域后来被称作“原子核”）；电子则包围在区域的外面.当一个（正价）α粒子移动到非常接近原子核，它会被很强烈的排斥，以大角度反弹.原子核的小尺寸解释了为什么只有极少数的阿尔法粒子被这样排斥.

卢瑟福、索迪的开创性工作吸引了许多年轻的科学家.就在1903年以后的几年，人们不断地用各种方法从铀、钍、锕等放射性元素中分离出一种又一种“新”的放射性元素.到1907年、被分离出来并加以研究过的放射性元素已近30种，多到周期表中没有可容纳它们的空位.这就产生了矛盾，怀疑周期表对放射性元素是否适用，另外人们对这些新发现的放射性元素进行对比研究后，发现有些放射性不同的元素化学性质则完全一样.例如钍与由它蜕变生成的射钍，尽管放射性显著不同，可是将它们混合后，却难以用化学方法使它们分离.化学性质则完全一样.这类事实积累得愈来愈多.素迪根据这类事实，于1910年提出了著名的同位素假说：存在不同原子量和放射性，但其它物理、化学性质完全一样的化学元素变种，这些变种应该处在周期表的同一位置上，因而命名为同位素.接着索迪根据原子蜕变时放出α射线相当于分裂出一个氦的正离子，放出β射线相当于放出一个电子，从而提出了放射性元素蜕变的位移规则.放射性元素在进行以α蜕变后，在周期表上向前（即向左）移两位，即原子序数减2，原子量减4.发生β蜕变后，向后移一位，即原子序数增1，原子量不变.德国化学家法扬斯和英国化学家罗素也独立地发现了这一位移规则.

根据同位素假说，他们把天然放射性元素归纳为三个放射系列：铀-镭系、钍系、锕系.这不仅解决了数目众多的放射性“新”元素在周期表中的位置问题，而且也说明了它们之间的变化关系.根据位移规则推论，三个放射系列的最终产物都是铅，但各系列产生的铅的原子量却不一样.为了验证同位素假说和位移规则的准确性，1914年美国化学家里查兹完成了此项工作.1919年，英国化学家阿斯顿研制成质谱仪，使人们对同位素有了更清晰的认识.

1897年英国著名物理学家汤姆逊在阴极射线的定性和定量研究中发现了电子.阴极射线即为一股电子流.这一发现不久就引起了强烈的反响.人们才知道还存在比原子更小、建造一切元素的电子，原子也是可分的.这就将更多的科学家吸引到阴极射线和探索原子结构的研究中.

1898年德国物理学家维恩又发现，不仅阴极射线在磁场和静电场中会发生偏转现象，某些正离子流也同样受磁场和静电场的影响.这种从气体放电管中引出的正离子流又称阳射线.在阴极射线研究中取得重大成果的汤姆逊1905年转而开始研究阳射线.在研究中他发现，把氖充入放电管做实验时，在磁场或静电场作用下，出现了两条阳射线的抛物线轨迹.进一步研究，他又测出这两条抛物线所表征的原子量各为20和22.而当时公认氖的原子量为20．18.于是汤姆逊认为这可能是氖（Ne）和Ne与H2的混和气体.尽管当时索迪已经提出同位素的概念，但是汤姆逊对这一概念却持否定的态度，因此他对自己的实验结果无法作更合理的解释.

毕业于英国伯明翰大学的阿斯顿，在大学学习期间，特别是他当物理研究生时，已显示出他在制作实验仪器和实验技巧上的出众才能.毕业后他的导师波印亭就将他留在身边作助手.这时，作为著名的科研机构——卡文迪许实验室主任的汤姆逊急需聘任一个助手，一个擅长制作仪器、并有一定实验技术的助手.为了阿斯顿有更快的发展和更好的前途，波印亭十分慷慨地把他得意的助手阿斯顿推荐给汤姆逊.这样阿斯顿来到了这个人才辈出的卡文迪许实验室，开始了新的科研生涯.

汤姆逊交给阿斯顿一个重要任务，即改进当时他做阳射线研究的气体放电实验装置，以更准确地测定阳射线在电磁场中的偏转度，从而来决定氖的组成和其原子量.灵巧的阿斯顿在汤姆逊的指导下，制造了一个球形放电管和带切口的阴极，改进了真空泵，发明了可以检查放电管真空泄漏的螺管和拍摄抛物线轨迹的照相机，这些改进明显地提高了实验的水平，与此同时他们也改进了实验方法.他们通过装置的改进，将电场和磁场前后排列，但是二者的方向相互垂直，还使它们的作用力与阳射线平行而方向相反.在这种实验装置中，阳射线在两种场的作用下，经过不同玻璃制造的棱镜后，分别向相反方向偏斜，然后又聚焦到同一点上，使感光底片感光，已被检测的气体元素的同位素会因为原子量不同，阳射线的速度也不同，致使其偏斜后的曲线曲率不同.据此就可以测出同位素及其原子量.

年轻的阿斯顿思想活跃，勇于接受新事物.他不同于汤姆逊，当他仔细地研读了索迪的同位素假说后，立即认为这一假说是可以成立的.他采用了同位素的概念，用以解释他在实验中的发现.阳射线在电磁场作用下出现两条抛物线轨迹，表明同位素确实存在.由于同位素的质量不同，所以扩散时的速度也不同，固而出现两条抛物轨线.为了更清楚地证实这点，他先用分馏技术，然后又用扩散法，将氖同位素进行分离，最后再精确地测定它们的原子量，证实了Ne20和Ne22的存在.1913年在全英科学促进会的会议上，阿斯顿宣读了由这些工作而撰写的论文，并做了实验演示，展示了两种氖同位素的试样.对于他的这项研究，同行们给予很高的评价.他也由此而获得了麦克斯韦奖.

第一次世界大战爆发后，阿斯顿应征入伍，来到皇家空军的一个部门，从事战时的科学研究.虽然身在军营，但是他从未忘记思考和整理前段时间对阳射线和同位素的研究.设想假如能发明一种仪器，可以测定各种元素均有同位素的存在.那么他的研究就可以有新的突破.为此，等到战争刚宣布结束，他就急忙地赶回卡文迪许实验室，开始新的攻关.

阿斯顿回到卡文迪许实验室不久，汤姆逊就任剑桥大学三一学院院长，著名物理学家卢瑟福接替了汤姆逊原先的工作，成为卡文迪许实验室的负责人.卢瑟福最早提出放射性元素的擅变理论，因而对同位素的假说是理解的.他对阿斯顿的工作给予了很大的鼓励和具体的指导，使阿斯顿有更足够的信心来实现自己的计划.

阿斯顿根据他原先改进的测定阳射线的气体放电装置，又参照了当时光谱分析的原理，设计出一个包括有离子源、分析器和收集器三个部分组成的，可以分析同位素并测量其质量及丰度的新仪器，这就是质谱仪.离子源部分使用来研究其同位素的物质形成离子，然后将离子流经过分析器，在恒定的电场和磁场作用下，各同位素的离子由于质量不同，各循不同的路径到达收集器，从它们到达收集器的位置和强度，可测得各同位素的质量和丰度.阿斯顿所研制的这一仪器也可以称为阳射线的光谱仪，是他从事阳射线和同位素研究的结晶.这种仪器对于测量的结果精度达到千分之一.因此使用这一仪器能帮助阿斯顿在同位素的研究中大显身手.

他首先使用这一新的仪器继续战前的研究，对氖做重新测定，证明氖的确存在Ne20和Ne22两种同位素，又因它们在氖气中的比例约为10：1所以氖元素的平均原子量约为20．2（后来的研究又发现氖存在第三种同位素Ne21 ，氖元素的平均原子量为20.18）.随后，阿斯顿使用质谱仪测定了几乎所有元素的同位素.实验的结果表明，不仅放射性元素存在着同位素，而且非放射性元素也存在同位素，事实上几乎所有的元素都存在着同位素.最早素迪和里查兹都是根据放射性元素的衰变产物来证实同位素的存在，在质谱仪的帮助下，人们发现同位素的存在是个普遍的现象.阿斯顿在71种元素中发现了202种同位素.长期以来，元素一直是化学研究的主要对象，直到今天，由于阿斯顿的杰出工作，人们才发现元素具有这么丰富的内容.

质谱仪的使用、同位素的研究还解决了一个长期争论而又迷惑不解的问题.自从1815年英国医生普劳特提出所有元素的原子量均为氢原子量的整数倍的假说后，人们一直对此假说半信半疑.开始时，一些化学家认为它有道理，然而精确测定原子量的结果只能使他们垂头丧气.当门捷列夫提出元素周期律，揭示了元素间存在内在联系的规律性后，一些化学家重提普劳特假说，认为它可能是正确的.当时英国化学家克鲁克斯就在一篇题为“元素的产生”的论文中提出：“所谓元素或单质实际上都是复合物，所有元素都是由一种原始物质逐步凝聚成的”.斯塔关于原子量的精确测定再次否定了普劳特的假说.科学界当然不能接受克鲁克斯的观点.

门捷列夫的化学元素周期律大家认为可以信赖，但是在周期表中，钾和氩、钴和镍、碲和碘的排列位置不是按原子量的大小顺序，而是颠倒顺序排列的，这是为什么？直到20纪初，人们仍然不得其解.

阿斯顿运用质谱仪对众多元素所作的同位素研究，不仅指出几乎所有的元素都存在同位素，而且还证实自然界中的某元素实际上是该元素的几种同位素的混合体，因此该元素的原子量也是依据这些同位素在自然界占据不同比例而得到的平均原子量.例如氯元素，它一直被当作反驳普劳特假说的最好事例，其原子量为35．457，据测定自然界的氯有两种同位素： Cl35、Cl37.其丰度为Cl35：Cl37=3：1，所谓丰度即同位素在自然界该元素中所占的百分比.所以氯的原子量既不是整数的35，也不是37，而是35．46.大多数元素的原子量为什么不是整数，原因就在这里.因此，阿斯顿道出了元素质量的整数法则.为什么元素质量存在整数法则，随着原子结构秘密被揭开，质子、中子等基本粒子被揭示，这个问题也就迎刃而解了.

Thomson于1919年被任命为剑桥三一学院院长，这个职位需要他全身投入，因此他辞去了卡文迪许实验室教授和主任，包括Schuster在内的一个选举委员会选举卢瑟福继任Thomson，卢瑟福非常巧妙地协商，确保Thomson不会干涉实验室事务，但是允许他给他的助手和学生以及他本人保留一些rooms，Thomson确认卢瑟福选为三一学院学会特别会员，拥有“我高兴的时候你可以过来吃饭”的权利，这就确保了卡文迪许实验室的两位巨人之间的和平.

人们经常说卢瑟福到卡文迪许实验室后很少有时间来进行自己的研究，这确实是真的，因为他比以前有更多的管理职务在身了.然而，卢瑟福还在继续研究原子核，卢瑟福的mcgill时期放射性衰变的自然产生，在Manchester，是原子的理论，作为卡文迪许教授，他分离原子核.

卢瑟福将人工分离原子核的新研究领域从Manchester带到剑桥，他带来了实验设备和放射源材料，更为重要的是，他邀请他之前的学生，chadwick加入他更深入的实验中.

在1910—1911的冬天，卢瑟福思考出了一个原子具有带电的中心的原子模型的基本看法，就像盖革和马斯登在他们1909年的文章中指出的那样：

如果考虑到α粒子的质量和较大的速度，那么在实验中显示出来的某些α粒子被$6 \times {10^{ - 5}}{\text{cm}}$厚的金箔偏转90°甚至更大角度就显得非常令人吃惊.用磁场达到相同的效果的话，需要109绝对单位（absolute units）的巨大磁场.

在1911年5月的论文中，卢瑟福总结到，让一个大质量带电粒子的轨迹产生如此大的偏转，只有一种可能，那就是金原子的大部分质量和电荷量都集中在非常小的中心位置.注意：此时卢瑟福并未称其为原子核（nucleus）.

实际上，卢瑟福在得出这个中心带电的结论时非常谨慎：一个很简单的计算显示，原子必须位于一个非常强的电场中，使得在对碰时可以产生如此大的偏转.他非常迅速和粗糙地想出，如果这个中心带电的原子模型正确的话，几个定量关系必须是真的：1.某个角度散射的α粒子数量与金箔的厚度成正比.2.数量与中心电量的平方成正比.3.数量与α粒子的速度的四次方成反比.这3个关系导致了1年后盖革与马斯登的实验.

卢瑟福考虑到带电中心带负电的可能性.今天听起来奇怪，那么是什么使得这个看法合理呢？首先，这个与汤姆孙的模型不是非常不同.其次，因为卢瑟福知α粒子带2个单位的正电荷，他认为这可能像太阳吸引靠近它的彗星.就像弹弓的皮带将α粒子甩出去后又拉回原来的方向.他也考虑到了日本物理学家Hantaro Nagaoka (1865–1950)提出的一个几乎被忘记的模型——土星模型.Nagaoka 和卢瑟福在1910到1911年之间有联系，卢瑟福提到了“一个具有吸引力的中心质量被旋转的电子包围”的Nagaoka模型.在这篇重要的论文中，卢瑟福最终申明，无论原子是圆盘的还是球型的，无论中心带正电还是负电，都不影响计算结果.卢瑟福一直非常小心地不去声称那些他的计算不支持的结果.

卢瑟福确实看到了中心带电原子模型的特征的可能的测试.一个带正电荷和负电荷的中心对β粒子的吸收应该是不同的，他说.一个带正电荷的中心可以解释α粒子从放射性物质中以很高的速度放射出来.但是这只是暗示.

盖革和马斯登的确系统性地做过卢瑟福提出的中心模型的假设的各种可以测试的应用.第一次世界大战完全扰乱了卢瑟福在曼切斯特的工作，卢瑟福的团队成员中，波尔返回丹麦，马斯登接受了新西兰的教授职位，莫斯利死于加里波底的战役，战争开始时和盖革在德国技术大学工作的查德威克，因战争俘虏被关押在Ruhleben集中营.其他学生也参战去了，卢瑟福也去研究反潜技术.

由于这些的干扰，卢瑟福和他的实验室管家威廉凯1917年才开始用α粒子穿过氢气，氮气和其他气体，第一次世界大战结束时，马斯登短暂地帮助观察令人乏味的闪烁，这种闪烁提供了通向原子核的线索.卢瑟福在1919年报告了这些试探性的实验.卢瑟福将放射源镭214放在一个可封闭的铜容器内，从而可以根据需要改变位置，抽空或引入不同气体，α粒子穿过容器内部并通过一个用银板或者他物质盖着的狭缝，轰击一个硫化锌屏幕，在暗室里可以看到屏幕上有闪光.当放入氢气后，非常小心地使α粒子在轰击屏幕前使其完全吸收，但是依然可以看到屏幕上的闪光，卢瑟福认为，当α粒子通过氢气时，偶然地与氢原子和发生了碰撞.这使得氢原子飞速地向α粒子原来运动的方向运动.

在这些实验中，卢瑟福有几个疑问，主要是关于原子核的特征.他叫他的同事Darwin根据原子核间的弹性碰撞的简单原理，利用平方反比的排斥力，分析α粒子与电子（或与电子电量相同、电性相反的粒子）以及和氢原子核的碰撞. Darwin发现所有与氢原子接近到$2.4 \times {10^{ - 13}}{\text{cm}}$以内时都能让氢原子加速沿着α粒子运动的方向前进而在屏幕上产生闪光，然而，这个简单的原理还预测，只有非常少的，比观测到的还少的氢原子会被加速碰撞到屏幕上.

像这样的实验一直包含着一些“如果我们这样做会发生什么”的问题，然而卢瑟福的脑海里有几个清晰的问题和目标.1919-1920年，卢瑟福和chadwick很快发现当α粒子轰击氮和其它轻元素时，靶子会快速飞出emitted一个单位正电荷的粒子，当靶子是氮，氧，铝和其它轻元素时都这样.当高速运动的粒子在黑暗的room中轰击zinc-sulfide屏幕时，他们看到了火花，光的闪烁，很明显，这种微粒十分普遍而应该有一个名字，他们称之为proton. 卢瑟福推断说，当氮捕获α粒子并释放一个质子后，原子核就有8个单位正电荷而不是7个单位正电荷了，也就是成了氧.

原子是由带正电荷的原子核和围绕原子核运转的带负电荷的电子构成.原子的质量几乎全部集中在原子核上.起初，人们认为原子核的质量（按照卢瑟福和玻尔的原子模型理论）应该等于它含有的带正电荷的质子数.可是，一些科学家在研究中发现，原子核的正电荷数与它的质量居然不相等！也就是说，原子核除去含有带正电荷的质子外，还应该含有其他的粒子.那么，那种“其他的粒子”是什么呢？