人类对各种自然现象的认识，都有一部曲折发展的历史。拿我们日常生活中经常用到的火来说，人们对它的认识，从北京猿人使用野火到今天，已经有5000万年以上的历史。在认识火和燃烧现象的漫长征途上，充满了许许多多的风浪和波折。回顾这个历史，我们可以看到，人类对事物的认识是怎样在错综复杂的矛盾和斗争中辩证地发展的。
千古之谜
火是一种常见的自然现象。我们都见过枯槁的野草和树枝着火的情景，可是在自然界里会着火的又岂止草木。火山爆发时，熔岩滚滚；鼓风炉里，烈焰翻腾，这些都是坚硬无比的石头在燃烧。就是钢筋铁骨，也不免会被猛火烧成灰渣。就连太空中炎炎的烈日，又何尝不是一个燃烧着的大火球。
关于火，古代流传着许多神话和传说。在古希腊的神话中，据说人间的火是天神普罗米修斯冒着触犯天规的危险从天上偷到人间来的。在我国古代，人们则传说，火是一个叫燧人氏的人发明的。古代劳动人民通过对幻想中的驯火英雄的崇敬来表达他们要求征服自然的美好愿望。同时，这些神话和传说也十分自然地留下了我们先辈对自然界缺乏认识的痕迹。他们虽然已经通过用火感受到了火的光明和温暖。但在他们看来，火还是那么不可理解，是一种神秘莫测的东西。所以，在他们心目中，能驯服火的只有神仙或圣人。
当然，在古代，由于生产力水平低下，人们的认识还很难正确地反映自然界，火终究不是神，也没有什么赐火予人的神仙或圣人。
什么是火，当火成为人们生活和生产不可缺少的东西的时候，人们就十分自然地把火看成是宇宙万物的来源。我国古代“五行”说的金木水火土中有火；古代印度“四大”说的地水火风中有火；古希腊“四元”说的水土火气中也有火；古希腊的赫拉克利特甚至把整个世界都看成是“一团永恒的活火”。
在古代人看来，火是一切事物中最积极、最活跃、最容易变化的东西。它能促成事物的转化，整个世界就在烈火中永恒不息地变化着。要问火本身是什么，人们还只能依托于感觉，在古代哲学家的眼中，火就被看成是干和热两种原始性质的化身。人们从崇尚火到感觉火，从不会用火到学会用火，从只会用野火，到发现钻木取火。这都是人类同大自然长期斗争的结果。
用火，是人们认识火的真正起点。用了火，就能把石头炼成金属，把砂粒和灰碱烧成了玻璃。于是，人们开始认识到，火除了发光、发热之外，还能使物质发生变化。这样，火就不仅仅是光和热的化身，而成了变革物质的强大力量。
火山爆发、雷电轰击、陨石落地和长期干旱都可能产生火。人类在实践中不仅感觉到了黑暗中火带来的光明，寒冷中火的温暖，而且还发现了经过火烧过的食物更为可口，在熊熊的大火面前，动物相望而逃，火还能够驱赶猛兽，保护人们的生命安全。于是人们从野火中引来了火种，使火为人类服务。这是人类支配自然的伟大开端。
人类掌握了火，可以用火来烧烤野兽的肉和植物的根茎，从而结束了原始人类那茹毛饮血的野蛮而落后的时代。吃熟食不但减少了疾病的发生，缩短了消化过程，同时也为脑髓的发育提供了丰富的营养，使人类大脑的发育一代比一代完善起来。摩擦生火是人类在生产实践中发明的，在打制石器的过程中，往往发现某些石头相击会产生火星。人们在使用木制工具时，发现枯木被猛力相摩擦就会发热，摩擦出的木屑热到一定程度也会生成火星，火星由于周围有较高的温度，燃烧时间相对较长，若再遇到易燃的干草之类的纤维，就能燃起火焰。于是人们由此发明了钻木取火等方法。人们尝试着用火去烧烂泥、石头之类的东西时，马上就在改造自然的斗争中取得了一系列的重大成果。制陶术的出现，就是用火烧烂泥的直接结果。后来，人们又从石头里烧出了金属。自然界里含锡的铜矿石，经过粗糙的烧炼，就能得到自然的青铜。又过了许多年，人们才学会了炼铁，制造铁器。
烧陶要善于掌握火候，烧青铜需要更高的温度，至于炼铁，对用火技术的要求就更高了。所以，从发明摩擦取火，经过陶器时期，青铜时代，一直到铁器时代，这里的每一个进步，都同火有着密切的联系，都反映着人类利用火、控制火的能力和水平的提高和进步。随着火的利用不断扩大，煮盐、酿酒、烧玻璃等生产技术陆续出现。从此，人类要发展生产，再也离不开火了。火成了人类改造自然的重要武器，成了“人类新的解放手段”。
火既然能使事物千变万化，那么使粪土化为黄金又何尝不可能呢？
公元1世纪，在古希腊的亚历山大里亚城就流传着一种制造“黄金”的工艺，人们用锡、铅、铜、铁等金属熔制成一种黑色熔块，随后加些水银或砒霜使它变白，最后涂上一层硫磺石灰液或媒染剂，使它呈现金黄色的光泽，“黄金”就制成了。
炼金术起源于炼制金属的实践。古代随着冶金技术的发展，人们已经学会用混合各种矿石或在现成的金属里添加各种成分的方法来炼制各种金属。当时，人们只能根据颜色和光泽来分辨金属的“贵贱”，看到金黄、银白就以为黄的是金，白的是银。人们偶然制得一些光泽和色彩都很像金银的合金，便以为是真的黄金和白银。少年朋友们，今天，当你们听到这些无知的人们的所作所为时，你们一定会觉得很荒唐可笑吧。可是，他们有自己的一套自圆其说的理论，每日津津乐道地陶醉在自己的梦想之中。他们认为，之所以能把黑铁化为黄金是因为一切金属在本质上是一样的，都是阳性、火性、燃烧性的“硫”和阴性、水性、挥发性的“汞”相结合的产物。这里所说的硫和汞还不是我们今天所指的化学元素，而是某些神秘的本原。金属的“贵贱”决定于这两种本原在量上的差异。汞多就“贵”，硫多就“贱”。而火在他们的手里就更加神秘了，他们认为，火能烧去其中的硫，留下贵重的汞。所以贱金属愈烧愈精，最后变成宝贵的黄金。
炼金术从我国起源，最后传入欧洲，先后在我国、阿拉伯国家和欧洲的封建社会里盛传了一千七百多年。长期以来，烧金术士脱离劳动人民的实践，关在与世隔绝的幽暗的丹房里，沉醉于点石成金、发现“人造黄金”的梦想之中。虽然他们也长期用火，但是方向错了，指导思想也错了。他们始终没有把人类对火的认识，对燃烧现象本质的认识推进一步。在炼金术支配着火的漫长时期内，关于火和燃烧现象的学说，本质上是唯心主义的，他们把火看成是构成万物的元素和本原，认为物体燃烧则有火分解出来，而留下的是像土或盐那样的灰烬。炼金术士的神话根本无法解答与燃烧现象有关的各种问题。
火微粒与火燃素
大规模用火的实践，把人对火的认识大大地推进了一步。火，在炼金术士的手里，几乎没有结出多少有益的果实。但一旦从炼金术士的丹房里解放出来，却产生了巨大的成果。生产的发展，需要通过化学实验来了解火和燃烧现象的本质。但是，炼金术关于燃烧的神话，严重地阻碍着人们对火的认识的发展。要进步，就必须扫除横在前进道路上的这些障碍和绊脚石。于是，一场近代化学反对经院哲学和炼金术的斗争，就不可避免地爆发了。站在这一斗争前列的是英国资产阶级的早期活动家罗伯特·波义耳。波义耳，这个曾经访问过罗马，被意大利文艺复兴运动和伽利略反对经院哲学的斗争深深激动着的年轻人，在1644年——英国资产阶级革命的高潮中，返回祖国，开始从事自然科学的研究。
如果只看现象，许多物体经过燃烧后确确实实都化为灰烬。特别是植物燃烧，在燃烧后只留下了不多的一点灰，似乎它们在燃烧时真有大量的火分解出来似的。但是，波义耳却注意到，金属在燃烧以后，剩下来的灰渣往往比金属本身重，金属的灰渣比金属本身还要复杂。可见，炼金术关于物质构成和火的观念是根本错误的。他们的理论像孔雀的羽毛，虽然好看，但却没有什么用处。
波义耳收集了大量的材料，并亲自做实验来研究这一问题。1603年，他开始了对火的燃烧现象的定量实验。他在密闭的容器内煅烧金属铜、铁、铅、锡等，他发现，燃烧后的这些金属都无例外地增加了重量。这个重量是从哪里来的呢？是不是某种有重量的东西，穿过容器壁上的微孔，跑进容器，同里面的金属结合起来了？如果是，这种东西又是什么呢？经过反复思考，波义耳认为，这种东西就是火。火应当是一种实实在在，由具有重量的“火微粒”所构成的物质元素。从这个观念出发，他认为，植物燃料在燃烧时，物体的极大部分都变成火焰散失到空气中去，只留下了同物体本身的重量相比是微不足道的灰。而金属燃烧时，从燃料中散发出来的火微粒钻进了金属，并与它结合而形成了比金属本身要重的煅灰。所以，他对金属经煅烧而加重的解释可以用一个式子表达出来，那就是：金属+火微粒=煅灰。他把煅灰看成是金属的化合物，这比起炼金术的说法要前进了一步，而且也似乎有一定的科学性，因为它毕竟是经过一定的实验而得出的结论，并非背离事实的主观臆想。但是，波义耳的实验太片面了，他在实验中只注意到密闭容器里的金属重量增加的一面，而没有同时考察和金属密切地接触着的空气是否也发生了变化的一面。
火微粒为什么只会钻进结构紧密的金属，使它增加重量，而不能钻进木头、石头等这些结构比较松散的东西，使它们的重量也有所增加呢？这些复杂而又矛盾的现象又怎能用机械的“火微粒”来解释呢？波义耳的火微粒显然不能被人们所接受，它很快就被新的理论所取代，这也是历史的必然。
为了统一对燃烧现象的认识，18世纪初，普鲁士王的御医施塔尔，在概括已有观念和综合各种事实的基础上，把炼金术的燃烧性“硫”和波义耳的“火微粒”结合在一起，提出了一种折中的学说——燃素说。
燃素说把火看成是由无数细小而活泼的微粒构成的物质实体。这种火的微粒既能同其他物质元素结合而形成化合物；也能以游离方式存在，所谓的游离就是单独存在的形式。游离的火微粒大量地聚集在一起，能形成明显的火焰，弥散于大气之中，给人以热的感觉。由这种火微粒构成的火的元素，就叫做“燃素”。
按照燃素说，燃素充塞于天地之间，流动于雷电风云之中。在地球上，动物、植物、矿物都含有燃素。大气中含有燃素，因而会在空气中引起闪电，而使大气动荡不已；生物中含有燃素，所以才生机勃勃；无生命物质含有燃素，就会燃烧起来。燃素不仅具有各种机械性质，而且又像灵魂一样，本身就是一种动因，是“火之动力”。物体失去燃素，变成死的灰烬。灰烬获得燃素，物体又会复活。
当用燃素说解释燃烧现象时，则可以认为一切与燃烧有关的化学变化都可以归结为物体吸收燃素和释放燃素的过程。煅烧金属，燃素逸去，变成煅渣；煅渣和木炭共燃时，煅渣又从木炭中取得燃素，金属重生。燃烧硫磺，燃素逸去，变成硫酸；硫酸和松节油共煮时，又从松节油里夺回燃素，硫酸又被还原成硫磺。在燃素说看来，物体中含有燃素越多，燃烧起来就越旺，比如说：油脂、炭黑、硫、磷就是极富有燃素的物质。“燃素”的含义似乎与火微粒相像，但要知道，他们两方对金属煅烧过程的解释却恰恰相反，按照燃素说，其过程可以表示为：金属-燃素=煅灰。
燃素说虽然比炼金术能解释更多定性的化学现象，但是它同炼金术一样不能解释金属煅烧增重的事实。既然金属在煅烧时要逸出燃素，为什么煅渣的重量反倒增加了呢？为了说明这一点，人们不得不加给燃素一些神秘莫测的性质。有人说，燃素是和地心相排斥的，具有负重量，因此金属失去燃素时，重量反而增加了。有人说，金属失去燃素，就好像活着的人失去灵魂，死了的尸体比活着的躯体要重，死的灰渣自然就比活的金属重。
机械论者看不到燃烧现象的本质，任意杜撰了一个由莫须有的“火微粒”所造成的燃素。然而，用燃素又不能解释全部燃烧现象。怎么办？在科学还深深禁锢在神学之中的历史情况下，形而上学的机械论只好转向传统的神秘论求救，以为只要给燃素这个“臆想出来的”物质再加上一些臆想出来的神秘特性，就可以把它变得像灵魂一样神通广大。所以，在燃素说中还深深地遗留着“万物有灵论”的痕迹。这样，它当然经不起实践的考验。经过人们多方探索，结果谁也没能拿到燃素，特别是人们对化学反应更多地进行了定量研究后，越来越使燃素说陷入了无法克服的困境。
燃烧和空气
中国有句俗语叫“火仗风势”，意思是说空气流通越好，火着得越旺，沙土能够熄灭熊熊燃烧的火，就是因为沙土将空气和火分离开了，从而使火熄灭的缘故。火和空气往往是不可分的，要燃烧总要有空气。所以要对燃烧现象有比较深入的了解，就要知道燃烧和空气的关系，揭示火与气的内在联系。
实际上，远在古代，人们早就在日常生活和生产实践中，掌握了鼓风助燃的道理。鼓风就是鼓空气，空气鼓得越足，火焰也越旺盛。但是，在整个古代，人们对自然现象还缺乏细致的分析。火和空气到底有没有关系呢？有许多人看来，还是个谜。直到后来有一次，波义耳把一个玻璃瓶中的空气抽成真空状态，再在这个抽成真空的瓶中点燃蜡烛、焦炭、硫磺等可燃物体，结果发现它们都不能燃烧，完全失去了燃烧能力。他发现，火焰不能在这个抽成真空的瓶中存在。这样，人们才意识到火和空气之间原来是有着必然联系的。
火和空气有联系，那么是什么样的联系呢？在17世纪下半叶，英国的物理学家和化学家胡克曾对此问题有过研究。在他看来，空气好比一种溶剂，燃烧就是可燃性硫在空气中溶解的过程。当可燃性物体中的硫大量地溶解到空气中去的时候，产生了许多热，这就是火。在燃素说发展起来以后，空气就十分自然地变成了燃素的溶剂。有空气，燃素就能溶解出来；没有空气，燃素自己不会从物体中跑出来。所以，直到18世纪上半叶，人们对空气的认识还相当笼统和模糊。空气是“空气”，其他气体也是“空气”。一说起“空气”就是一种包罗万象，笼统称之为“气”元素。面对这样的混乱局面，总有些人设法去改变它。
1755年，英国的化学家布拉克做了一个实验，通过这个实验他发现了“固定空气”即二氧化碳（也叫碳酸气），这才把笼统的“气”元素打碎了。布拉克把石灰石放在容器中煅烧，煅烧前后分别称其重量，结果发现，煅烧后石灰石的重量减少了44%，他断定这是因为有气体放出的缘故。石灰石是烧石灰的原料，他又将石灰石放入酸中，发现石灰石遇到酸还会“吱吱”冒气，为什么石灰石遇酸会冒气呢？这种气体是什么？布拉克用集气瓶把这种气体收集起来，并用石灰水吸收它，结果澄清的石灰水由于吸收了这种气体却变得混浊起来。再把点燃的蜡烛放在盛有该气体的集气瓶中，蜡烛马上熄灭。这种气体果真厉害！于是布拉克想，它既然有这么大的威力，看看它对有生命的东西会怎样？他把麻雀和老鼠等小动物拿来，然后把它们一一放到盛有这种气体的集气瓶中，结果，麻雀也好，老鼠也好，没有一个可以幸免于死，它们先是痛苦地挣扎着，随后便慢慢地倒在瓶里，再也不能动弹了。布拉克觉得这种气体实在是值得研究，于是想把它收集起来，当他用一瓶盛有石灰水的瓶子来收集这种气体时，他又发现，这种气体的重量与煅烧时放出来的气体重量相等。很显然，这种气体与寻常的空气不一样。由于这种气体是固定在石灰石中，当时布拉克就叫它“固定空气”。以后，布拉克又以碳酸镁做了类似的实验，发现镁石中也存在“固定空气”。这样，在布拉克实验的启迪下，人们不久就发现，“固定空气”不仅存在于石中，动物呼吸中也有，而且木炭燃烧时也有“固定空气”生成，在大气中也常常包含着“固定空气”的成分。“固定空气”既固定又不固定。
在燃素说看来，石灰石煅烧失重，变成碱性的石灰，完全是石灰石在煅烧时吸收了燃素的结果。然而，联系到石灰石遇酸冒气的事实，在对石灰石的煅烧过程进行了大量的研究以后，布拉克断言，石灰石的失重，石灰的碱性，都是由于失去了酸性的“固定空气”所引起的，而与吸收不吸收燃素没有丝毫的关系。这一发现无疑是对燃素说的一个沉重的打击。
但是由于“固定空气”易溶于水，因此布拉克等始终未能收集到纯净的这种气体。直到1766年，英国人卡文迪许才用汞槽法收集这种气体并取得成功。卡文迪许测定了“固定空气”的比重和溶解度，并用确凿的实验证明了它和动物呼出的气体，以及木炭燃烧后产生的气体相同。这种气体后来人们称它为二氧化碳。就这样，人们在大量的科学实验的基础上，发现了二氧化碳气体，从此人们对火和燃烧现象的认识也便走向科学的轨道上来。
二氧化碳的发现，揭开了气体化学的序幕。从此，一系列的气体陆续从空气中分离出来了。
卡文迪许在测定了二氧化碳的一些性质以后，又开始继续他的定量的实验研究。他用铁和锌等作用于盐酸及稀硫酸制得了氢气，并用排水集气法收集了起来。他在实验中发现，用一定量的某种金属与足量的各种酸作用，所产生的氢气其量总是固定的，与所作用的酸的种类无关，也与酸的浓度无关。有一次，他将收集到的不纯的（混有空气）氢气用火点燃，结果，“轰”的一声爆鸣声吓了他一跳，这可是以前没有发现的现象。于是卡文迪许认识到这种气体和其他已知的各种气体都不同，它既不像空气那样有利于燃烧，也不像“固定空气”那样能被碱吸收，它本身却能在空气中燃烧，且发出轻轻的爆鸣声，他把这种新发现的气体——氢气，叫做“可燃空气”。
这种气体是从哪里来的呢？从制作方法上看，它不是从酸中而来，就是从金属中而来，卡文迪许认为这种气体不是酸中产生的，而是由金属中分解出来的。由于卡文迪许是燃素说的虔诚信徒，他认为金属中含有燃素，金属在酸中溶解的时候，他们的燃素便释放了出来，形成了“可燃空气”——氢气。他甚至误认为氢气就是燃素。
二氧化碳的发现，否定了燃素说对石灰石煅烧失重的解释，而氢气的发现却又成了论述燃素存在的新证据。燃素到底有没有？氢气真的是燃素吗？燃烧的原因到底是什么？这一连串的问题成了当时的大问题，它迫使化学家们继续不断地向前探索。
18世纪70年代，法国已经进入了资产阶级革命的前夜，在英国，一个大规模的工业革命高涨时期已经到来。社会的进步有力地促进了工业生产的新高潮，工业机械化的需要对冶金工业，特别是钢铁工业，在数量和质量上都提出了新要求。而要提高金属的质量，第一步就必须弄清楚在鼓风炉里发生着的化学过程的全部细节。
一般说来，鼓风炉里，不外总是矿砂和焦炭在燃烧。但谁都知道，不鼓风，没有空气的帮助，矿砂、焦炭本身是烧不起来的。在各种物质中间燃烧关系最大的还是空气。这样，人们再也不能忽视空气的作用了。正如有些科学家所断言的那样：“要作出有关火的现象的任何真实的判断，没有空气的知识是不行的。”为了了解燃烧的本质，人们的注意力就愈来愈多地集中到空气上来了。
对空气的深入剖析，首先是从考察二氧化碳即“固定空气”的来历入手的。为什么木炭在空气中燃烧会生成二氧化碳，二氧化碳本身又是什么？1772年，英国的卢瑟福对空气进行了初步的剖析，进行了一系列的实验研究。
有一天，卢瑟福将一只小老鼠放进了一个密封的容器里，然后观察老鼠的反应。起初的时候，小老鼠艰难地喘息着，渐渐地呼吸越来越困难，最后可怜的小老鼠就闷死在器皿中。等这一切都发生过了，卢瑟福发现容器内空气的体积比以前减少了，容器内剩余气体再用碱溶液来吸收，气体还会继续减少。这说明容器中的空气含量中，有一部分是氧气，小老鼠吸收完这些氧气后，就再也得不到生命所必需的气体——氧气而一命呜呼了。还有一部分就是能被碱液吸收的碳酸气，也就是二氧化碳。
卢瑟福就是用这种方法除去空气中的氧和二氧化碳，并且对剩余气体作进一步的实验研究。他在老鼠不能生存的空气里点起一支蜡烛，蜡烛仍然可以隐隐发光；等到蜡烛熄灭后，往其中投入一小块磷，磷还会发光燃烧。通过这些实验现象，他觉得要从空气中除净这些助燃烧和助呼吸的气体是很困难的。以后，他又在密闭的器皿中，利用燃烧磷来除去这种助燃烧和助呼吸的气体，发现效果很好。卢瑟福并没有因找到了除净空气中的氧的办法而终止他的实验。他又继续做了大量的实验研究，发现器皿中的剩余气体不但能灭火，而且还不能维持动物的生命，他给这种剩余气体起名叫“浊气”。他所说的“浊气”其实就是氮气。“浊气”为什么能灭火呢？卢瑟福有自己的理论，他认为“浊气”是给燃素饱和了的空气，意思是说，因为它已吸足了燃素，因此失去了助燃能力。
当然，18世纪的任何发明与发现，都是很难属于某一个人的。当时在研究空气和燃烧关系的科学家还有瑞士的舍勒，英国的普利斯特里和卡文迪许，法国的拉瓦锡等。他们所用的实验方法几乎相同，并且都发现了空气中主要含有两种成分——有助于燃烧和呼吸的气体（氧气）和对燃烧和呼吸不利的气体（氮气）。但是，这两种气体是什么，当时还没有人对它们达成统一的认识，在这个问题的认识上，由于每个人的指导思想不同，因此他们只好分道扬镳了。
百年实验
出身贫寒的瑞士药剂师舍勒，为了谋求生活，一直在药房打工，他经常利用工作之余做一些实验来研究身边所发生的各种问题。燃烧现象的研究兴起以后，他便利用药房的一些方便条件，做了一系列的实验。他能用两种方法来制取氧气，这在当时是很了不起的事情。他总结了自己所做的各种实验结果，最后得出结论。他认为，空气能够助燃是因为空气中含有一种特殊的成分“火气”，它特别容易吸收燃素，“火气”吸收了物体中的燃素后变成了热，通过容器壁上的细孔跑掉了，结果就留下了完全不会吸收燃素的“浊气”。“浊气”是一种同燃素没有任何关系的气体。其实，舍勒所说的“火气”和“浊气”就是我们今天所说的氧气和氮气。尽管他关于“火气”吸收燃素变成热的见解近乎荒唐，但他却是第一个确认空气中包含两种成分的人。
1774年，普利斯特里利用一个直径为0.3048米的聚光镜来进行物质加热实验，看一看物体加热后会不会放出气体，并用汞槽来收集产生的气体，以便研究它们的性质。
8月的一天，他像以往做其他物质的分解实验一样把汞煅灰（氧化汞）放在玻璃器皿中用聚光镜加热，不一会儿，器皿中的物质就分解了并放出气体。他想，这种气体一定是空气。他用上水集气法收集了放出的气体，然后把点燃的蜡烛放在集气瓶中，结果蜡烛燃烧得更旺了，火焰也更加明亮起来。这使普利斯特里非常兴奋，他心里想，再用老鼠试试看，于是他把老鼠放在集气瓶中，同时，他把另一只放在盛有空气的同样瓶中，结果，在盛有空气的集气瓶中的老鼠早早地就死去了，而另一只老鼠则比它活的时间长了很多。这只“幸运”的老鼠为什么能多活了这么长时间呢？一定是这种气体有助于动物的生存，不妨自己试试看。普利斯特里大胆地试着吸入这种气体，呀！真奇怪，他顿时觉得呼吸轻快了许多，使他感到格外舒畅。
其实，这些实验结果已雄辩地说明了空气中含有一种能够助燃烧和助呼吸的成分——氧气。但是，普利斯特里是个极顽固的燃素说的信徒，即使有了以上这样的实验依据，他还仍然认为空气是一种单一的气体，助燃能力所以不同，是因为燃素的含量不同。从汞煅灰里分解出来的是新鲜的、一点燃素都没有的空气，所以吸收燃素能力特别强，助燃能力也就格外大，他把这样的空气叫做“无燃素空气”；平常的大气，由于经过动物的呼吸，植物的燃烧和腐烂，已经吸收了不少燃素，所以助燃能力就比较差了。一旦空气被燃素所饱和，就不会再继续助燃，变成了“被燃素饱和了的空气”，也就是卢瑟福所说的“浊气”。
总之，在普利斯特里看来，氧气和氮气的差别仅仅在于氧气是一点儿也不含燃素的空气，氮气是吸足了燃素的空气，平常的空气就是在燃素的含量上近乎两者之间。
法国的拉瓦锡是燃素说的根本反对者，当他了解到了普利斯特里有关氧气的实验后，他花费了大量时间，把大量的精确实验材料联系起来，用天平作为研究的基本工具，对前人做过的许多实验进行了定量分析，终于揭露了燃素说的内在矛盾。
1774年，他用锡和铅做了著名的金属煅烧实验。他在实验仪器是一个曲颈瓶和一架天平。他把事先准备好的锡和铅精确地称量好，分别放入曲颈瓶中，用塞子把瓶口密封，再用天平精确地称量金属与瓶的总重量，然后加热，直到铅和锡全部变为灰烬，再用天平进行称量，结果他发现，加热前后，总重量没有变化。另一方面，当他把曲颈瓶子打开时，发现有空气冲了进去，这时再进行称量，瓶和金属煅灰的总重量却增加了，而且所增加的量和金属经煅烧后增加的重量恰好相等。在事实面前，拉瓦锡对燃素发生了极大的怀疑，金属的煅灰会不会是金属和空气的化合物？为了证明这个想法，他又用煅灰反复做了许多实验，结果意外地发现，把煅灰与焦炭一起加热时有大量二氧化碳释放出来，同时，煅灰又变成为金属铅。这使他感到不仅是简单地从焦炭中吸取一点燃素的问题了。否则那么多的二氧化碳从哪里来？再联想到焦炭在空气中燃烧也生成二氧化碳的事实，使拉瓦锡更确信煅灰是金属和空气相结合的产物，而且，煅灰在和焦炭共热时所放出的二氧化碳一定是从煅灰中释放出来的空气与焦炭相结合的结果。
要想证明这个结论，最有说服力的当然就是想办法从金属煅灰中直接分解出空气来。于是他又设计了一个实验，加热铁煅灰。但是实验的最后结果并没有得到空气，实验没有成功。正当拉瓦锡遇到困难的时候，当时在巴黎访问的普利斯特里把从汞煅灰中分解得到“无燃素空气”的实验事实告诉了拉瓦锡，拉瓦锡马上用聚光镜重复了普利斯特里的实验。从汞煅灰中分解出了比普通空气更加助燃、助呼吸的气体。
接着而来的问题是，为什么汞煅灰里分解出来的“空气”助燃能力比平常的空气要来得大？为了解决这个问题，拉瓦锡从1772～1777年的5年时间里，又做了大量的燃烧试验。他用磷、硫磺、木炭、钻石燃烧；将氧化铅、红色氧化汞和硝酸钾加强热使之分解等等，从大量的实验结果的分析中，拉瓦锡断言，从汞煅灰里分解出来的气体，决不是什么“无燃素空气”，而是一种新的物质元素，他把它命名为：oxygene，也就是氧，物质只有在氧气中才会燃烧。空气之所以能助燃，是因为其中含有氧。物质在空气中燃烧不如在氧气中燃烧得旺盛是因为空气中只有一部分是氧，而很大一部分是不助燃的“浊气”。所谓“浊气”也不是什么“燃素化空气”，它是一种物质元素：氮气。物质的燃烧和金属煅烧变为煅灰并不是分解反应，而是与氧气的化合反应。根本不存在燃素说的信奉者们长期坚持的：金属-燃素=煅灰，而应该是：金属+氧=煅灰（某种氧化物）。
这样，拉瓦锡在普利斯特里制出的氧气中发现了幻想的燃素的真实对立物，找到了燃素说的错误根源，揭示了燃烧和空气的真实联系。氧和氮的真正发现，把过去一直以为杂然一团的空气最终分开，解开了迷惑人们达数千年之久的燃素说之谜。
水中有火
俗话说，水火不相容，然而水里却蕴藏着大量的火。如果说，氧的发现解开了燃烧之谜，沉重地打击了燃素说，那么水中取火的实现，就进一步加速了燃素说的崩溃。
生产的发展总是不断地推动着人类对自然界认识的发展。随着蒸汽机的发明和蒸汽动力的广泛使用，从来被人们看成是十分单纯的水，它的内在矛盾也就暴露出来了。水化为蒸汽，它所能迸发出来的力量足以推动各种机械的运转，但水蒸气却又对用来制造机器的金属有很大的腐蚀作用，水能腐蚀金属，这是什么道理？这个问题又不能不引起人们的重视。
1871年，普利斯特里研究了水蒸气对灼热铁屑的作用，发现水蒸气不仅可以使铁屑变成煅灰，同时还有大量“可燃空气”（氢气）释放出来，他把这种“可燃空气”同普通空气混合后，放在容器里点燃，结果容器爆炸了，在破裂的容器壁上凝结着露珠般的东西。普利斯特里没有对这些露珠多加注意，他想，这一定是容器事先没有烘干。这一事实却引起了卡文迪许的注意，他和他的助手反复多次地进行这种实验，无论容器烘得怎么干，事后都有露珠生成。在一次次的实验中，他都注意着发生的现象，总结规律。最后卡文迪许认为，容器壁的露珠是氢气和空气中的氧气的化合物。进一步对露珠进行分析，发现这种液体无臭无味，蒸干后不留任何残渣，蒸发时也没有刺鼻的气味产生，这露珠似乎就是纯净的水。
水真的是“可燃空气”同“无燃素空气”的化合物吗？为了证实它，卡文迪许直接把氢气和氧气混和在一起燃烧，结果确实有水生成。
同一时期，拉瓦锡也在研究氢和氧的作用，但他却在另一个错误观念的束缚下，陷入了严重的困难之中。在他看来，氧是一种酸素，凡是非金属与氧作用都应当生成酸，因此他一心想通过氢和氧的作用合成出一种尚未知道的酸来。这一幻想迷住了他的心窍，使他对反应中残留在器壁上的水视而不见。直到1783年5月的一天，他从卡文迪许的助手卜拉格那里得知卡文迪许的发现后，他才恍然大悟。从此，他改变方向，对水、氧和氢之间的关系做了大量实验和定量分析研究，最后也终于发现，“可燃空气”根本不是什么从金属中释放出来的燃素，而是从水中分解出来的一种物质元素，叫氢。它是水的一个组成部分。水不过是氧化了的氢，或者说水是氢气和氧气直接化合的产物。
统一的水分解了，原来的水“一分为二”，水是氢和氧的矛盾对立物。把水分解成氢和氧，从“水中取火”也就有了可能。水的分解显示了氢的真实面目，粉碎了燃素论的最后一张王牌。
燃素说之所以能被推翻，并不是说拉瓦锡是那种了不起的天才。他之所以能够推翻燃素说，是因为“燃素说经过百年的实验工作提供了这样一些材料”，而他对这些材料的真实联系作出了切实和毫不虚假的分析，要是没有实验材料，要是离开了前人和同时代的许多人的实验，燃素说的推翻也是不可能的。
人类对自然界的认识，总是不断发展的，在科学发展的历史上，燃烧的氧化理论代替了燃素说，这是个不可否认的进步。但是氧化理论绝不是对火和燃烧现象认识的终结。
当我们看到盐酸工业中，合成氯化氢反应炉里熊熊燃着的只是氢气和氯气的混合物，连一点儿氧气都没有，这就早已超越了氧化理论的范畴。原子弹的爆炸，产生出更为炽烈的燃烧现象，在那里，连一般的化学运动范畴也突破了。所以我们对火和燃烧现象的认识，也还在继续尝试，继续实验，继续发展。
光的色散实验
我们生活的这个世界色彩斑斓，但五颜六色是从哪里来的？自古以来人们就一直在思索这个问题。古希腊大学者亚里士多德认为，各种不同的颜色是由于照射到物体上的亮光和暗光按不同比例混合所造成的。中世纪时，随着显微镜的发明，掀起了一个“玩光”的热潮。人们利用各种光学元件观察五花八门的光学现象。你看，凸透镜能将小字放大；凹透镜能使大字缩小；三棱镜更是好玩，一束太阳光经过它折射后，会形成一条色带，按红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的顺序排列。奇怪！白色的光通过三棱镜后为什么会变成七彩色带了？英国年轻的科学家牛顿亲手制作了两个光学质量很好的三棱镜，并设计了一个“判决性实验”，来判定太阳光谱的形成原因。
光的自然色散
关于颜色，很早以前人们就已经发现并开始研究它了。古希腊的亚里士多德认为它是人们的主观感觉所造成的，所有颜色都是光明与黑暗、白与黑按比例混合的结果。17世纪前的欧洲，一直流行着这种看法。人们有了颜色的初步概念以后，又发现颜色不仅一种，不同的颜色引起人的视觉感应也不同。那个时期，人们对多种复杂颜色的最初感性认识是从虹开始的。在田间从事生产劳动的人们常常发现，每当雨过天晴的时候，在太阳和云雾共存的天空中，背着太阳的云气中呈现出一道绚丽多彩的光环，这光环是由五种颜色组成的。这一美丽的自然景观引起了人们的极大关注和兴趣，人们开始研究这一有趣而又奇妙的现象。把这美丽多彩的光环叫做虹。
虹到底是什么？它是怎样形成的呢？劳动人民在长期的生产劳动中进行了大量的观察研究，最后，人们发现，虹不是在任何时候，天空中的任何位置都能出现，它总是出现在和太阳相对方向的云气中，没有云就不会见到虹，在没有太阳的阴沉天气中也不会见到虹。这是人们早期对虹的出现条件，以及虹所出现的位置规律的初步认识和掌握。到了唐代，对虹这一自然现象的成因有了比较科学的解释。人们通过对虹的观察看到了五颜六色的现象，这是最早的颜色感观。
中国古代劳动人民不仅大体上认识了虹的成因，而且在长期的生产实践中，他们发现用实验的方法能产生霓虹现象，这就是人工造虹。公元8世纪中叶，那时候民间有一位名叫张志和的读书人，他善于开动脑筋，遇事总要琢磨个究竟，对一切新奇的现象都很感兴趣。最早一次人工造虹的成功是在一个大雨过后的晴朗的天气中，他站在院中望着天边的彩虹，他想，既然太阳照射雨滴就能产生虹，那么用水滴代替雨滴也应该能产生相同的现象。他在这突发奇想的驱使下，进行了一个人工造虹的实验。他对着阳光喷射水滴，起初，他迎着阳光做这种试验，结果没有发现产生光环。于是他调整自己的观察角度，经过多次多角度的调整，最后发现，如果背着阳光喷水就能看到空气中所出现的五颜六色的光环，当他看到这一和阳光照射雨滴后产生的光环一样的景观时，他高兴极了，马上回房提笔做了记录，记下了这一景观产生的过程。这是史料记载的我国古代劳动人民第一次用实验的方法研究虹。
人们认识了虹的成因，又有了人工造虹的经验，于是就把它推而广之，当人们看到瀑布下泄水珠四溅，他们就仔细观察，结果发现，瀑布下溅出的水滴经日光照射后，也能形成七彩的霓虹。唐代诗人张九龄《湖口望庐山瀑布》中就有“日照霓虹似”的诗句。这样，人们就把日光照射云气中的水滴群，同飞泉周围的水滴群所产生的色散现象联系起来了。
除了对雨虹及其他色散现象的记述和模拟实验外，人们还发现了晶体分光和羽毛的衍射色彩。公元684～706年，传说安乐公主用百鸟的羽毛编织出两条裙子，这种美丽的裙子从正面看是一种颜色，从旁边看又是一种颜色，在日光中看和在镜子中看都能形成不同的颜色。这种用百鸟的羽毛编织出的美丽的裙子也是一种光的色散作用的应用。
到了宋代，人们就能对单个水滴的色散现象进行研究了。雨过天晴的时候，落在树叶花草之上的露珠还没有蒸发，在树叶草木的末端水珠欲落未落都聚成圆形，晶莹欲滴，非常惹人喜欢，经日照射后，便呈现五彩的霓虹，其颜色斑斓闪烁，用手挡住阳光，颜色便消失。人们通过长期观察已经意识到，这些颜色不是水珠本身所具有，而是日光中含有多种颜色，经过水珠的作用可以显示出来。可以说，宋代人们的观察分析，已经接触到了色散的本质问题。
除此之外，我国古代人民还发现了天然晶体的色散现象。他们发现，日光经过晶体折射后，光似琥珀，琥珀呈红、黄、褐各种颜色。以上这些所有的色散现象都是自然界自身展示给人们的景观，人们对色散现象的研究也只停留在现象本身。在欧洲，有意识地研究色散现象是从16世纪开始的，人们借助于棱镜这种光学仪器，开始进行了大量的色散实验，以解释色散现象的本质。在这大规模的色散现象的研究中，进行得最深入而且最早做出科学解释的是牛顿。
与众不同的牛顿
在物理学史中，最有名的所度之一便是公元1642年。这一年，意大利物理学家伽利略溘然长逝，而在英格兰东部的一个小村落里，伊萨克·牛顿呱呱降生。牛顿的诞生之日——12月25日，虽然恰好是圣诞节，可是英王查理一世与国会开仗的炮声却震撼着整个英伦三岛，英国革命进入了国内战争的阶段。
随着资产阶级登上历史舞台和资本主义生产的兴起，科学也以神奇的速度发展起来。17世纪初，望远镜、显微镜相继发明，光学折射定律，人体血液循环的发现，都表明当时自然科学取得了新的进展。自然科学的力量开始受到重视，英国的哲学家弗兰西斯·培根提出了“知识就是力量”这一名言。随之而来的是在英国出现了有利的学术环境。热心自然科学的人数迅速增加，学会、学院相继成立。学会的问世及其科学刊物的发行，都成了当时科学家交流学术，启发思想，共同提高的极好形式，有力地促进了当时自然科学的迅速发展。
牛顿正是处于这样一个自然科学和学术环境发生重大变革的时代，他很快顺应了时代的潮流，受到这个时期的各方面熏陶，因而显得与众不同。
牛顿的父亲是一个普通的并不富裕的农民，靠着祖传下来的地产，以耕种谋生。婚后不久，他在一场急性肺炎的袭击下于牛顿出生前便去世了，牛顿成了不足月的遗腹子。他是那样的脆弱瘦小，他母亲说，1夸特（约1升）的杯子就装得下他。微微的气息，嘤嘤的啼声，牛顿的幼小生命是那么弱不禁风，他的母亲无论如何也想不到，就是这个可怜的孩子——伊萨克·牛顿竟活到85岁的高龄，而且是世界上与众不同的出类拔萃的科学家。
牛顿在小学读书时，他的资质一般，学习成绩较差，常被列入劣等。但是与众不同的是，他喜欢沉思默想，对许多事物都感到新鲜好奇，乐于去观察体验。有一天，牛顿突然注意到，早晨上学时，他自己的影子在左边，晚上放学回家时，他的影子却转移到另一边去了，太阳光下的人影会随着时间的改变而移动，这可太有意思了。这一现象启发了牛顿去做了一个日晷——一种利用测日影来确定时刻的器具。这个日晷的圆盘边缘有刻度，中间竖一根小棍，从小棍的影子所指的刻度，就可以知道几点几分钟。沉思默想的牛顿把这个日晷做好后，安放在村子中央，给村民们指示着时间。后来村民们怀着敬意称它为“牛顿钟”。
不仅如此，牛顿在小学的时候，还自己琢磨着造出一架“计时水钟”。这是一个灌满水的小木桶，木桶的底下有一个小孔，用塞子紧紧塞住，打开小孔的塞子，让水一滴一滴地缓缓滴下。木桶里的水面逐渐下降，水面的浮标也随着慢慢下降，并带着指针在均匀的刻度盘上一点点的移动，从而指示着各个时刻。当桶里的水滴尽的时候，恰恰就是中午的时刻。牛顿创造的这个装置虽然被看做是孩童的小玩意，但它却体现了牛顿的好奇心和灵巧的制作。人们对小牛顿的善于开动脑筋的好奇心都称赞不已。
牛顿在12岁那年，进了格兰瑟姆中学。到中学后，牛顿依然保持自己的兴趣不变，他继续发展了对手工制作和机械方面的爱好。他经常独自一人钻在自己的小屋子里，制作各种各样的小玩艺。最成功的制作是风筝，他给班级的同学每人做了一个风筝，他做的风筝，不仅外形美观好看，而且在拉线的力点和尾巴的重量上都很有讲究，因而他做的风筝起飞得特别快而且飞得也高。这体现了牛顿在力学方面的天才素质。有一次，他把一只纸灯笼点着火，系在他的风筝尾巴上，夜里把它放到高高的天空，就好像一颗巨星升在空中。村民们竞相观看，都很惊奇和恐惧，他们认为这是一颗新出现的扫帚星。这时牛顿跑过来告诉他们，这不是什么扫帚星，是他的风筝！人们才放下心来。当人们得知这是牛顿搞的名堂后，又禁不住交口称赞这孩子的发明创造本领。
在格兰瑟姆镇上有一座高大的风车，人们安装它是为了利用风力来磨面粉。牛顿从学校放学回来路过这里，当他看到这东西的时候，就禁不住地仰着脖子用心地观察风车的转动。边看边琢磨，最后他终于弄懂了风车的工作原理。回家后他也照葫芦画瓢地做了一架小风车，风一吹，叶片转动，加一点儿麦粒进去就能像大风车一样磨出面粉来。可是，风车没有风就不能转动，这不好，太不方便了，于是牛顿又想出了新招，他用铁丝做了一个圆笼子，里面关着一只老鼠，当老鼠踩动轮子时，磨就飞快地转动，居然也能磨出面粉来。
有一天，牛顿把自己的小风车拿到学校去给同学们看，一下子吸引了好多学生。正当同学们议论纷纷的时候，一个学习成绩一向很好但十分骄傲的学生跑过来，他一边盛气凌人地夺过小风车摔在地上，一边又用语言加以讥讽，带头起哄。这使牛顿气愤到了极点，与那个同学厮打了起来，这个平日里沉默寡言的牛顿，把那个优等生打得落花流水。从此，牛顿暗暗下定决心，发愤图强，不久，牛顿的学习成绩就在全班名列前茅。
1661年6月，牛顿以优异的成绩考入了剑桥大学三一学院。格兰瑟姆中学的校长斯托克斯先生深知，牛顿是一个难得的天才，他向剑桥大学输送了一名很有希望、很有前途的学生。为此，斯托克斯先生特别召开全体学生大会表彰牛顿，他以父亲般的骄傲把他心爱的学生列为学校的高材生，他眼中闪动着泪水，赞扬牛顿的性格和特殊的才华。
揭开光谱的秘密
光与人们的生活和生产极为密切，它能引起人们的视觉，人们就是借助光来观察世界，从事各种各样的重要工作的，而光又是人们通常用到的一种最普遍的自然现象，因此光的作用是非常大的。光既然这么重要，那么少年朋友们，你们知道光是怎样产生的，它又有哪些性质呢？
我们知道有许多物体，像太阳、电灯、火炬、萤火虫等，它们都能自己发出光来，在物理学上，我们把这种自己能发光的物体称为光源。生活在远古的人类祖先，是以太阳为光源的，到了黑夜就无能为力了。黑暗给人以可怕可恶的感觉。经过漫长的岁月，人们发现火也能提供光和热，开始时，人们使用天然火，后来，人们学会了利用竹、松脂等制成火炬来作为人造光源。用油灯作为光源的历史在中国也是很悠久的。蜡烛作为光源是后来中国人发明的，战国时期，人们已经知道用纤维或竹心外裹着层层蜜蜡制成了一种叫“蜜烛”的蜡烛。据分析，墨家做光学实验时，用的就是这种蜜烛。直到近代光源——电灯发明以前，在很长时间里，以不同形式出现的火，一直是人们惟一可用的人工光源。通过对光的长期观察，人们发现，只有借助光源发出的光才能引起人们的视觉。
有了光源，就能产生光，光是一种奇特而又重要的物质，它有很重要的性质。远在公元前4世纪，墨翟和他的弟子们做了世界上最早的针孔成像实验，这个实验的结果告诉我们：光照在人身上就像射来的箭一样，是沿直线进行的，而不走曲线。从人体下部射出来的光线，射到屏幕的高处；从人体上部射出来的光线，射到屏幕的低处。从脚部射向低处的光线被针孔所在的屏壁遮蔽，因此脚部成像于屏幕的高部位；从头部射向高处的光线，被屏壁遮蔽了，因此头部成像于屏幕的低部位。人所在的位置离小孔由远而近，则屏幕上的像由小变大。由于从人体射出并穿过小孔投到屏幕上的一切光线都在小孔处交于一点，所以屏幕上的像是倒立的。这是光的直线传播的最早的科学解释，也是世界上对小孔成倒像的第一次实验验证。远在公元前4世纪，墨家就知道用小孔成像的实验来验证光的直线传播特性，实在是一种惊人的科学创举。
光是沿直线传播的，但是在前进的方向上遇到不透明的物体时，就会改变路径被反弹回来，这种现象就叫光的反射，这种不透明的物体叫镜子。光线不能穿透镜子，镜面成像就是光线反射的结果。我们知道，只要对着光滑的平面就可以照见自己的形象，人们最初是利用静止的水面作为光的反射面，当做镜子使用，从水中看到自己的形象，进行整理梳洗，这些都是光的反射作用给人们带来的方便。那么，光的路径的改变是不是就这一种方法呢？不是的，光还有一种改变传播路径的方法，叫折射。
光在某种物质中能被弯曲，可见光能穿透它们，这种物质我们统一叫做透明物质。关于光能穿过透明体的折射现象，中国古代人民早有所知，有史料记载说“削冰令圆，向日取火”，历代都被人们所怀疑。冰在太阳光下，遇热会融化，怎么可能将光线聚集起来进行点火取暖呢？清代科学家郑光复曾经做过实验进行验证。他用一底部微凹的锅壶，里面装上沸水，将壶放在冰上转动，制成一块表面光滑的凸透镜。把它放在强烈的阳光下，果然能把放在冰透镜后面焦点处的纸煤点燃。这个实验实际上是很难成功的，但是，2000年前的中国古代人们就已成功地做出这样的实验，真可以说是巧夺天工的发明创造。据说17世纪著名英国科学家胡克也曾经做过这个实验，当时的科学家们对他赞叹不已，可是，他们哪里知道，早在一千多年前中国人就成功地做过这样的实验。由于用冰做成的透镜不会长久，所以就没有什么使用价值。这个实验是光的折射现象的很好说明，当光线照射到冰（透明物体）上时，就要改变传播路线，发生折射，折射后的光线要通过焦点，所有的光线经冰折射后都会聚集到焦点上，所以这点的温度迅速升高，以致可以点燃物质。
有了这些基本的光学知识，人们就可以对光进行深入的研究了。伟大的科学家牛顿，就是光学领域中的伟大的研究者，单凭他在光学方面的贡献，就完全可以成为科学史上的伟大人物，他在光学方面的主要贡献是对颜色的研究。在牛顿所处的时代，由于实验科学的发展，推动了人们对光的研究。
有一天，牛顿取来一块长纸板，一半涂成鲜红色，另一半涂成蓝色，然后把它放在窗户边，通过一块玻璃三棱镜来观察纸板。他发现，如果把玻璃棱镜的棱角朝上，使纸板由于折射看起来像是被抬高了，那么折射的结果将使蓝色半边比红色半边抬得更高。他把棱镜反倒过来，让折射棱角朝下，使纸板由于折射看起来被放低时，蓝的半边就比红的半边降得更低了。因此，牛顿断定蓝光折射比红光厉害些，也就是说不同的颜色具有不同的折射率。
这个设想是否正确呢？为了证实它，牛顿又做了一个实验。他拿来一张纸，一半涂上蓝色，一半涂上红色，用蜡烛做光源，经透镜在另一张纸上成像。结果却发现，无法使涂色纸片的两边同时呈现清晰的像，蓝色半边的像要在离透镜更近的地方才能看清楚。这说明，被蜡烛照射的红蓝纸片所发出的红蓝光经透镜后聚集在离透镜不同距离的地方。这就是透镜成像的色差。这种现象的发生是因为红蓝光具有不同的折射率所造成的。
1666年，年轻的科学家牛顿亲手制作了两个光学质量很好的三棱镜，并设计了一个“判决性实验”，来判定太阳光谱的形成原因。牛顿将两个棱镜隔开一段距离放置，在它们中间放置一个屏幕，屏幕中间开有一条垂直的狭缝。他再将房间的百叶窗放下，房内顿时漆黑一片，牛顿事先在百叶窗上开有一个小孔，这时外面的阳光透过这个小孔射向第一个棱镜，牛顿预想将会像小孔成像一样，在屏上会看到圆形的太阳的像。然而，结果却相反，在屏上看到的却是被拉长了的太阳的像，并且形成了一条光彩夺目的彩带。彩带的顶部是蓝色，底部为淡红色。牛顿感到这很有趣，他又将第一个棱镜转动了几次，使彩带的7条光线依次投到狭缝上。这样，7种不同颜色的光又通过狭缝投射到第二个棱镜上。牛顿发现，在第一个棱镜上折射得很厉害的蓝光，也在第二个棱镜上得到最大的折射。原来，太阳的像被拉长是由于光不是均匀的，而是由不同类型的光线组成的，其中的一些比另一些更容易被折射的缘故。而且各种彩色光透过第二个棱镜折射后虽然各自的折射角更大，但却不再展现出彩色带，而只显示各自的颜色。牛顿将白光分解成各种色光的现象称为色散，将白光分解后形成的彩带称为光谱。
牛顿对这个实验结果非常感兴趣，他仔细分析了实验现象，他想，光谱的形成到底是什么原因呢？当时，人们对光谱的解释多种多样，在众多的解释中最权威的是：从太阳表面不同点发出的光进入棱镜时的角度各不相同，这造成了三棱镜对这些光线折射的不同，结果就形成不同的颜色。年轻的科学家牛顿并不迷信权威的说法，他说，如果造成光谱是由于光在入射时的角度不同，导致棱镜对它的折射不同，那么，各种色光从狭缝入射到第二个棱镜时的入射角也不同，理应由于折射的不同再造成一次色散而形成新的光谱。实验结果却对这种推论“宣判”了死刑。究竟怎样来解释太阳光（白光）通过三棱镜后形成的光谱现象呢？
经过一段时间的思考，牛顿提出了这样的解释：白光是由折射能力各不相同的色光混合而成的，当白光透过棱镜时，由于各种色光的折射能力不同，于是“各奔东西”，造成了这些色光彼此远离而形成一条七色彩带。对于其中的一种色光来讲，由于它已经是单一成分了，即使再通过棱镜也不会造成色散，而“依然保持本色”，只不过在第二次透过棱镜后，折射将更厉害一些罢了。
判决了旧理论的死刑，又怎样来证实新理论的新生呢？为此，牛顿又做了一个“支持性实验”。他在上述实验装置上作了一些变动：撤走了第二个棱镜和屏幕，在屏幕位置上放了一只很大的凸透镜，牛顿让经过第一个棱镜色散后的光谱投射到凸透镜上，结果，所有7种颜色的光经过凸透镜后就会聚成一束白光了！由此，它直观地显示出，白光是由这些色光混合而成的。
“白光是由各种色光混合而成的”，这是一个重大的发现。牛顿的实验与结论使人们对颜色的认识的主观成分大大地减少了。他还成功地解释了虹的成因。牛顿认为，在天空中一边有阳光照射，另一边乌云密布的时候，彩虹就将出现。这是因为彩虹的颜色实际上是被云中或下落的细小水滴所反射的阳光的分解。阳光照射在水滴上，进入水滴发生折射，接着在水滴的另一面发生全反射后，再从前表面折射出来，结果不同色光在离开水滴后就呈扇形散开。因此，地面上的观察者若是背向太阳，就会看到弧状的彩虹。
牛顿环的发现
眼是人的五大感官之一。人类通过视觉观察和认识自然界比用其他感官更直接，更富有色彩。光学仪器的产生，使人类的视野更加扩展，它帮助人们克服视觉器官的局限性，大大丰富了感性认识的内容，在广度和深度上大大地增强了人类的认识能力，使感性认识更加精细。
就在研究颜色理论的过程中，牛顿对改进折射望远镜发生了兴趣。在牛顿所处的时代，最好的折射望远镜可以目测到土星的神秘形状的变化，但是望远镜的色差严重影响着观测的精确性。所谓色差是指星球发出的白光经过望远镜时，由于组成白光的各种色光的折射率不同，结果造成星球的像的模糊，在像的边缘总有一圈颜色。在牛顿之前的许多科学家，都绞尽脑汁想办法去掉这讨厌的色差，但由于缺乏理论根据，最后谁也没有成功。在牛顿提出了白光形成的新理论后，他自己马上把这一理论运用到改进望远镜上。他经过多次实验研究，从光的反射与光的颜色无关出发，于1668年制成了反射式望远镜，这台望远镜是一个大口径的旋转抛物面反射镜，它将天体成的像作为平面反射镜的虚构物，平面反射镜成的实像再经短焦距的目镜放大，供人观察。
反射式望远镜有效地避免了色差，成像清晰，又由于它的物镜口径较大，所以它的分辨本领较高，可以进一步看清天体的形态，用这种望远镜也可观察到了木星的卫星和金星蚀等。1671年，牛顿又制成了一台更大型的反射望远镜，他把这台花费了很多心血的望远镜献给了英国皇家学会，得到了极高的评价。
颜色理论作为牛顿发表的第一项科学成就，并没有得到一致的赞同。当时公认的杰出光学家惠更斯就曾怀疑过运用这种理论能否解释所有的颜色现象。自然哲学教授帕底误解了它的大部分内容以致看不到它的价值。而自居皇家学会要位的胡克的评论更令人失望，他只是称这种理论为一种“假说”，并指出这种“假说”在解释薄板的颜色这个问题上所存在的缺点。
为了回答胡克提出的问题，牛顿又做了一系列实验，在实验过程中，他又发现了牛顿环现象。
牛顿取来两块玻璃镜，一块是4.27米望远镜用的平凸透镜，另一块是15.24米望远镜用的大型双凸透镜，在双凸透镜上放上平凸透镜，让它的平面朝下，然后慢慢地把它们压紧，接触点的周围就形成一组明暗相间的同心圆环。压力渐渐增大，圆环的中心陆续出现各种颜色，然后再把上面的玻璃慢慢抬起，使之离开下面的玻璃体，于是这些颜色又在圆环中心相继消失。在压紧玻璃体时，在别的颜色中心最后出现的颜色，初次出现时看起来像是一个从周边到中心几乎均匀的色环；再压紧玻璃体时，这色环会逐渐变宽，直到新的颜色在其中心出现，而它就成为包在新色环周围的色环；再进一步压紧玻璃体时，这个环的直径会不断增大，而其周边的宽度会减少，直到另一种新的颜色在最后一个色环的中心现出……如此继续下去，第三、第四、第五种以及随后不断在中心现出的别种颜色，并成为包在最内层颜色外面的一组色环，最后的一种颜色是黑色的圆点。反之，若是抬起上面的玻璃镜，使其离开下面的透镜，色环的直径就会缩小，其周边宽度则增大，直到它的颜色陆续到达中心，后来它们的宽度变得相当大，这样就更容易认出和识别出它们各自的颜色了。在透镜接触点处所形成的透明中心点之后，接着出现的是蓝色、白色、黄色和红色，其中蓝色比较暗淡。紧接着包在这些色环外面的色环的颜色次序是紫色、蓝色、绿色、黄色和红色，只是绿色的量很少，似乎比其他颜色显得模糊暗淡得多。第三组色环的顺序是紫、蓝、绿、黄和红色。在此以后，是由红色和绿色所组成的第四组色环，以后的各组色环越来越变得模糊不清了，到三轮以后，它们终于成为一片白色了。
牛顿不仅在如此周密的观察基础上作了详尽的定性描述，而且进一步作了仔细的定量计算，得出亮环的半径的平方是由奇数所构成的算术极数，暗环的半径的平方是由偶数所构成的算术级数。利用年顿的这一结论，在知道了凸透镜的半径后，就可以算出暗环和亮环出现地点的空气层厚度。在牛顿的实验装置下，空气层厚度从接触点向外连续增大，所以会看到交替出现的暗环和亮环。因为不同颜色的光对应于不同的波长，所以不同颜色的亮环半径也就略有不同，结果就会看到类似彩虹一样的色环了。
勤奋出天才
牛顿是一位杰出的科学家，他成功地进行了把白光分解为光谱色的实验和揭示了颜色之谜，奠定了近代光学的基础。他的伟大还远不在此，他完成了经典力学体系而奠定了近代物理学的基础；他由于确定了万有引力定律而奠定了近代天文学的基础；他还发明了微积分而为高等数学奠定了基础。牛顿作出了如此众多的开创科学新时代的重大发现，在人类发展科学知识的征途中，建立了永垂万世的功勋。
牛顿为什么会有这样杰出的科学成就呢？也许有人认为这完全是因为牛顿天资聪明、才能出众，但牛顿自己并不同意这种看法，他说：“我只是对一件事情很长时间，很热心地去考虑罢了！”这句话是很有道理的，我们并不否认天赋的作用，也不回避牛顿在青年时代已与众不同，可是勤奋地学习，废寝忘食地工作，专心致志地长时间思考，这种后天的实践，才是他成功的主要原因。
少年时代的牛顿并不太聪明，在学校里常常遭人冷眼，学习成绩低劣。但在为此而受人侮辱后，牛顿决心甩掉“劣等生”的帽子，开始发奋读书。牛顿是“勤奋”两字的最好实践者，他深明勤奋的意义和价值，他更为后人留下了勤奋的记录和榜样。牛顿孜孜不倦，顽强坚韧所取得的成功，正是他勤奋工作的写照。
富兰克林静电实验
电，在科学与信息技术高度发达的今天，对我们每个人都是如此熟悉。不要说工厂里巨大的电炉，机井旁的电动机，铁道上的电动机车，就是在我们的日常生活中，电器已悄悄地走进各家各户。电灯、电话、电视、电冰箱已随处可见，就连厨房里也有电饭锅、电炒锅之类的电家伙。现代化的生活离不开电，现代工农业生产也离不开电，现代科学技术更是离不开电！
对我们人类来说，电是如此的重要和神奇，可它却是无形的，除了被电击以外，我们既看不见它，也摸不着它。那么，人类是怎样认识电和懂得使用电的呢？这确实是一个很吸引人的问题。
电学的发展历史告诉我们，人类关于电的知识，是从发现摩擦过的琥珀吸引草屑开始，经过两千多年的广泛探索和逐步积累，才达到今天的水平的。人类对它的认识，是靠实验一点一点地前进和逐渐深入的。
电学的系统研究始于1600年，从吉尔伯特的工作开始的，这一时期的实验都集中于静电方面，许多物理学家置身于自然界的种种现象之中，不顾个人生命的安危，为探求真理，谱写了一曲曲动人的篇章。
古代人对电的认识
一个原来不带电的物体，经过摩擦以后，就能吸收质量轻小的物体，这是我们今天人所共知的最起码的静电现象。这一现象和西方一样，也是很早就被中国古代劳动人民发现了。但是，人们当时由于文化知识及认识水平的低下，并没有对这一现象给予确切的解释和说明，其实，这就是我们今天所说的摩擦起电现象。
“瑁吸衤若”是在西汉末年，人们发现的最早的摩擦起电现象。“瑁”就是我们今天所说的玳瑁，是一种海生爬行动物，外形跟龟非常相似，它的甲壳呈现黄褐色，非常光滑，上面长有黑斑，是一种绝缘体，但经过摩擦后就能带电，然后把它靠近轻小的物体，如纸屑、草屑等，它就能将这些轻小物体给吸走，有时甚至能将纸片、草屑等吸到它的上面。当时，人们发现了这种现象，感到非常奇怪，不可思议。人们对这种奇怪现象的解释五花八门，各式各样，这其中似乎有一定道理的解释是东汉王充的观点。
王充认为，经过摩擦后的玳瑁之所以能够吸引轻小物体，是因为玳瑁和这种物体具有相同的“气性”，从而能够相互感动的缘故。后来，人们发现，经过摩擦后能够吸引微小物体的现象并不是玳瑁所独有的。摩擦后的琥珀能够吸引草屑。人们用漆木制成的梳子梳理头发，头发会被梳子吸引而显得稀疏、蓬松。质料不同的内衣和外衣发生摩擦时会有微小的“噼啪”声，甚至在人们脱衣服时会在空气中产生小火花。所有这些现象，都可以用摩擦起电来解释。可见，中国早在公元前后就发现了摩擦起电现象。这些远古的发现，正是人们认识电的伟大开端。
早在公元前16至11世纪的殷商时代遗留下来的甲骨文中，人们就发现有雷字。西周时代的青铜器上也有电字。这说明，人们对雷电现象的认识也是很遥远的。在我国古代，人们对于雷电的传说是非常神秘，而且富有迷信色彩。当人们听到天上传来的隆隆雷声时，他们会紧张地躺到某个角落里。因为他们认为，雷是天神发怒时的表现，雷声是天神的怒吼声，那伴随雷声的亮光是天神高举的火把。也有人认为，雷电是阴阳两气斗争的产物，因为他们发现有云才有雷。隆隆雷声是阴阳两气相互作用的声音，阴阳两气相互作用同时还会产生一种闪光。闪光若击中人，人就会死掉；击中树木，树木就会折断；击中房屋，房屋就会倒塌。还有人认为雷电就是火，它可以烧焦人的头发、皮肤和草木。
总之，雷电在古代大多数人们眼中是神奇又有威力的伟大力量，他们像对待上帝一样，敬畏它，任凭它的摆布和主宰。与此同时，也有一部分人注意到，雷电在它肆意地宰割大自然的时候，似乎并不是千篇一律的，它对金属物质、漆器、皮革等物质产生不同的效果，这些物质对雷电引起的电流和升温效果极不相同。这一发现，可以说是近代电学中关于导体和绝缘体概念的萌芽。
第一台起电机的诞生
17世纪，人们开始了对电的系统研究。开始的时候，人们对电的研究还只限于静电方面。当时，摩擦起电是人们获得电的惟一方法，要做较大型的电学实验，需要大量的电，仅靠手工摩擦物体所带的那点电还太微小。所以，人们在这一需要的压力下，努力地想办法来改进当时的摩擦起电工具。第一台摩擦起电机是德国的马德堡市的市长盖里克发明的，大约是在1660年。
盖里克是一个多才多艺的人，当过35年马德堡市的市长，对科学研究很感兴趣。1650年他发明了抽气机，后来又用它做过著名的马德堡半球实验，证明了大气压力的强大。1660年左右，他开始进行研究摩擦起电，在实验中，他感到用手摩擦很费事，于是，他想，用什么办法能省一点儿事呢？经过多日的思考和准备之后，他终于制造出了省事的摩擦起电机。这台在当时最大的摩擦起电机可以说是历史上第一台“起电机”。
盖里克的摩擦起电机实际上就是一个非常大的带有一根长柄的硫磺球。这个起电机在今天看起来是多么的简单，但在当时已经是一个了不起的发明，它标志着科学研究手段的进步。盖里克把大块的硫磺用木棒敲成细小的碎块后，放进一个足够大的球状玻璃瓶中，然后给这个玻璃瓶加热，使里边的硫磺熔化，硫磺熔化后再向其中不断地添加，直到熔化了的硫磺充满烧瓶，然后向瓶中插入一根木柄，最后停止加热。把瓶搁置到阴凉处冷却，过一段时间后，硫磺冷却了，把烧瓶打碎，就得到了一个比脑袋还大的黄色带柄的硫磺球。盖里克把硫磺球放在一个木制的托架上，用一只手握住木柄使硫磺球绕轴旋转，另一只手按在球面上，手掌与硫磺球产生摩擦，从而产生了电。
盖里克用这个摩擦起电机做了许多有意思的实验。他把摩擦过的硫磺球从架子上取下来，手拿着它的轴，把羽毛吸引到它上面后，羽毛又被排斥而离开它。他拿着硫磺球排斥羽毛，不让羽毛落下，使羽毛在空中飘浮，羽毛张开着，在某种程度上像活的一样。他在试验中发现，这羽毛喜欢靠近它前面任何物体的尖端，并且能够让它粘着任何物体的突出部分。但是，如果在桌子上放一支点着的蜡烛，把羽毛驱赶到离烛火上方约一掌宽的距离时，羽毛便突然后退，并飞向带电的硫磺球。这些实验表明，盖里克已经观察到物体的尖端对电的特殊作用以及烛火能使羽毛失去电的作用。
人类创造的东西，总是从简单到复杂，盖里克的摩擦起电机虽然简单，但他却用它观察到了许多重要的实验现象，而且它是人类制造的第一个起电机器，他为后人创造出更大型、更先进的起电机，提供了一种方法，因此，它的意义也是不容低估的。
导体的发现
摩擦起电机的出现，为实验研究提供了电源，对电学的发展起了重要作用。经过英国和德国科学家们改进的摩擦起电机，效力和威力都有提高，能够产生强大的火花，特别是能从人身上产生出火花来，引起了世人的惊奇。这种由人工产生的新奇的电现象，也引起了社会的关注。不仅一些王公贵族观看和欣赏电的表演，连一般老百姓也受到吸引。特别是在18世纪40年代的德国，整个社会都对电的现象产生了兴趣，普遍渴求电的知识，电学讲座成为广泛要求，演示电的实验吸引了大量的观众，甚至大学上课时的电学演示实验，公众都挤进去看，以至于达到把大学生挤出座位的地步。
就在这风靡世界的电的热潮中，许多科学家都致力于电学的基础研究，他们做了大量的实验来验证自己发现的电现象，同时也在这些实验中探索着电的新世界。
在电的实验研究中，迈出重要一步的是英国人斯蒂芬·格雷。这重要的一步是：发现了导电现象。格雷生于英国的一个手工艺家庭，精于工艺。1703年～1716年间致力于天文观测工作，被誉为是细心而可靠的观测者。1707年，剑桥大学一位教授请他帮助建造新天文台，这期间他有机会看到别人做电学实验，很感兴趣，于是他自己也试着做，这时他已是年过40的人了，他在电学上的贡献，则是在60岁以后作出的。
1731年，他用玻璃作为摩擦带电体来起电。他手里拿着一根长的空心玻璃管，从头至尾地摩擦它后，发现玻璃管能够吸引羽毛，这说明玻璃管已经带电。如果当初盖里克知道玻璃是一种良好的带电体，他就不必剥去硫磺外面烧瓶的玻璃了。格雷又把管子的两端用软木塞塞起来，摩擦玻璃管的一头。这时，一件奇怪的事情发生了：软木塞也能吸引羽毛，可是他并没有摩擦软木塞呀！格雷马上意识到，是摩擦玻璃管时产生的电传输到软木塞上了。
电果真能够传输吗？为了检验自己的判断，格雷又做了一个实验。他把一根细棒插入玻璃管顶端的软木塞里，细棒的另一端扎上一个象牙球。然后开始摩擦玻璃管，在摩擦玻璃管时不让手碰到软木塞、细棒和象牙球，可是当摩擦一段时间后，桌子的羽毛竟被吸附到象牙球上了。这样看来，电可以传输，这是毫无疑问的。
电可以传输，那么它到底能够传输多远呢？这是接下来要解决的问题。格雷又把象牙球吊在一条绳索上，绳索的另一端拴在玻璃管的软木塞，然后用一些丝线把绳索悬挂在工作室顶篷的钉子上，当他再摩擦玻璃管时，象牙球仍然能够吸引羽毛。于是他加长绳索的长度，不断地重复着他的实验。直到绳子的长度达到30.48米时，象牙球仍然能吸引羽毛。他用越来越长的绳索继续实验，最后丝线由于承受不住绳子的重量都断了，但对羽毛的吸引力是同样的。格雷于是又想到会不会是象牙球有什么特殊的魔力，他把象牙球去掉，换上其他的东西，先把房里的火铲拴上，然后再换上火钳、拨火用的铁棍、水壶等，结果都同样能吸引轻小的羽毛。哇！电的威力真大，能传输到这么远的距离，那么，它到底能传输多远，格雷决心要弄个明白。
为了能拴住更长的绳索，格雷改用粗铜丝代替丝线把绳索县挂到天棚上，然后继续摩擦他的玻璃管。没想到，无论他怎样长时间地摩擦玻璃管，象牙球也不能吸引羽毛，甚至玻璃管本身也不再吸引羽毛了。这表明，玻璃管上的电没有通过绳索传到小球上，格雷猜想，可能电是通过铜丝和铁钉跑掉了。进一步实验后，他发现，电通过金属比通过丝绸时更易于传导，因此，他把电容易通过的物体（如金属）叫做导体，而把电难以通过的物体（如蚕丝）叫做非导体。导体的发现是电学发展中的一次质的飞跃，它使静止的电从一个物体传到另一个物体上，使电学的发展迈出了非常重要的一步。
格雷为了检验这一理论，做了一个非常有趣的实验。他用结实的绳子将一个小孩吊在屋子的顶篷上，孩子的下面放一些羽毛，用摩擦过的玻璃管接触孩子的胳膊，不一会儿，羽毛就吸附在孩子手上和身上，这说明了人体也是导电体。
莱顿瓶的发明
在电学的发展中，极其重要的一步是莱顿瓶的发明。莱顿瓶是德国的克莱斯特和荷兰物理学家穆欣布罗克于1745～1746年发明的。
电是看不见摸不着的东西，怎样才能将它保存起来呢？18世纪40年代和50年代初，起电装置的改善和大气电现象的研究，吸引了物理学家们的广泛兴趣。1745年，普鲁士的克莱斯特利用导线将摩擦所产生的电荷引向装有铁钉的玻璃瓶，当他用手触及铁钉时，受到猛烈的一击。这一事实给了科学家们很大的启发，它告诉人们：装在玻璃瓶中可以储存电！
与此同时，荷兰莱顿大学的物理学教授穆欣布罗克在和助手进行电学实验时，看到好不容易聚集起来的电，很快就在空气中消失，感到很可惜，他想寻找一种保存电的方法。有一天，他将一根枪管悬挂在空中，用起电机和枪管连接上，然后再从枪管中引出一根铜线，将它浸入盛有水的玻璃瓶中，他让助手拿着玻璃瓶，自己在一旁使劲地摇着起电机。他的助手用一只手拿着玻璃瓶，另一只手不留神碰到了枪管上，他猛烈感到一次强烈的电击，大喊了一声，几乎要跳了起来，手里的玻璃瓶也差一点儿掉到地上。穆欣布罗克与助手换了一下，让助手去摇起电机，自己一只手拿瓶子，另一只手去碰枪管，当然，他也不会例外，也遭到了同样的电击。
事情发生以后，穆欣布罗克在给一位法国朋友的信中报告了这个可怕的偶然发现。他说：“我愿意告诉您一个新的、十分可怕的实验，希望你自己千万不要去做。当我把容器放在左手上，试图用右手从充电的铁柱上引出火花时，突然，我的手受到了一下力量很大的打击，使我的全身都震动了，手臂和身体产生了一种无法形容的恐怖感觉。一句话，我以为我命休矣。”他还向朋友表示，就是把整个法兰西给他，也不愿再受到这样一次可怕的打击。看来这种打击是很恐怖的。
尽管这个实验是十分可怕的，但却使穆欣布罗克得到了一种存储电荷的方法。把带电体放在玻璃瓶内可以把电保存下来，后来，人们把这个能储存电的瓶子称为“莱顿瓶”，这个实验称做“莱顿瓶实验”。“莱顿瓶”是因莱顿城而得名的。莱顿瓶发明后，人们在使用的过程中逐步地对它进行修改，使其功能及外形设计都日渐完好。凡经修改后的莱顿瓶内外表面都被贴上金属箔，瓶内装了水，瓶盖上插一个金属杆，杆上端附一个金属小球，下端用一金属链子同内表面连接起来。
莱顿瓶的发明，不仅为储存电提供了一种有效的方法，也为进一步开展静电实验创造了良好的条件。
揭开雷电之谜
电震现象的发现，轰动一时，这大大地增加了人们对莱顿瓶的关注。莱顿瓶能产生强烈的电击和火花，也引起了王公贵族和一般市民的兴趣，他们喜欢观看这种新奇的玩意儿，并乐于亲身体验一下电击的滋味。所以在当时的欧洲，时兴表演电学实验，不仅在实验室、集会厅表演，而且还在街头表演；有些人竟以此为业，带着摩擦起电机和莱顿瓶以及一些简单的器具，到处表演。穆欣布罗克的警告起到了相反的作用，人们在更大规模地重复着这种实验，简直成了娱乐游戏。
有人用莱顿瓶做火花放电杀老鼠的表演，有人用它来点酒精和火药。其中规模最大、最壮观的一次示范表演是法国人施莱特在巴黎圣母院前做的。施莱特邀请了法国路易十五的皇室成员临场观看表演。他调来了700个修道士，让这700名修道士手拉着手排成长长的一队，队列从头到尾长达900英尺，大约有275米，可见，队伍是何等的壮观。施莱特从容地指挥着这700名修道士，开始了他的表演。他让排头的一位修道士用手拿着莱顿瓶，排尾的修道士手握莱顿瓶的引线，接着他让莱顿瓶放电，就在这一瞬间，700个修道士因受电击几乎同时跳起来，场面看起来非常滑稽可笑，在场的人无不为之目瞪口呆。施莱特以令人信服的证据向人们演示了电的巨大威力。
18世纪欧洲盛行的这种电震表演，为电学知识的普及铺平了道路，它使许多人开始对电有了初步的了解。美国的富兰克林就是看到了欧洲人到美洲街头上作这种表演而走上电学研究的道路的。
莱顿瓶的发明使电获得了更大的名声。欧洲进行电实验的消息越过重洋，传到了美国，传到了费城。
1746年6月的一天，美国费城的最繁华的中心街道旁挤满了围观的人群。人们正在观看来自苏格兰的史宾斯博士表演“奇怪的戏法”——一种电的实验。其实，史宾斯的表演极为简单，他将利用摩擦产生的电通过导线引入莱顿瓶，然后再把瓶内的电用导线引出来，使导线短路而产生电火花。当人们看到一股股长长的火花出现时，无不感到惊叹。挤在人群中间的本杰明·富兰克林也惊讶地看着这一切。“嘿！这可真是个了不起的发明！”兴趣广泛、精力充沛的富兰克林当时已有40岁，他积极地想弄一个莱顿瓶来，也研究一下它的功效。
1746年，英国伦敦的一个商人、皇家学会会员考林森通过邮寄向美国费城的本杰明·富兰克林赠送了一只莱顿瓶，并在信中向他介绍了使用方法。富兰克林对此极有兴趣，他先对莱顿瓶的功效和放电现象进行了深入分析，等把一切都搞清楚了之后，便开始利用这个神奇的瓶子开始进行一系列的静电实验。
有一天，他在家里研究起莱顿瓶来，他把摩擦起电机产生的电用导线引入莱顿瓶，然后开始让莱顿瓶放电，用放电时产生的电火花来杀伤动物。由于杀伤动物需要很大的电力，所以得不断地摇动摩擦起电机，他自己手忙脚乱地操作这一系列的动作，于是他对站在一旁观看的夫人说：“来，你来替我摇这机器。”富兰克林夫人接过摩擦起电机的手柄开始摇起来，摇着摇着，一不小心手将莱顿瓶碰翻，一股强大的火花随之闪现出来，富兰克林夫人当场被击倒在地。这一重重的电击险些夺走夫人的性命，她整整在床上躺了一周。富兰克林在后悔、后怕的同时又联想到了一种现象，他想到天空中打雷时的闪电，当暴风雨来临的时候，伴着轰隆隆的雷声的闪电会将树木击倒，这威力也是够大的了。那么，莱顿瓶中的险些夺走夫人生命的电会不会同天上的雷电是一样的呢？嗯，太像了！为了解开这一个疑团，他决定做一个大胆的尝试。
本杰明·富兰克林出生于波斯顿的一个贫苦家庭里，他的父亲经营蜡烛制造以维持家中众多人口的生活。富兰克林从小喜欢读书，但是他只读了两年书，12岁时便到他的同母异父的哥哥詹姆士的印刷所当学徒。渴求知识的愿望使他选择了自学成才的道路。他充分利用印刷房和书店的联系这一条件，如饥似渴地阅读了大量书籍。1723年，他因与哥哥在工作中发生争执而到费城当印刷工。在费城他与朋友们组成了“共读社”进行自学，并将其发展为一个教育青年的学院（宾夕法尼亚大学前身），后来他任该校董事40余年，1731年，他倡议并建成了北美第一个图书馆，并兼任许多社会公职。本杰明·富兰克林是一个杰出的政治家和科学家。
在富兰克林的时代，人们对电的了解还是不够多，对天上的雷电更是迷惑不解，他们惧怕雷电，少数人认为雷电是“毒气爆炸”，多数人则认为是“上帝之火”。人们望着阴云密布的天空中，闪闪发光的雷电，心中充满了恐怖，充满了疑惑。那么，雷电究竟是什么呢？它那么高高在上地发生在天空中，人们够不着，也摸不到，要想研究它，就要把它引到地上来。这可太难了，多少人连想都不敢想。
莱顿瓶现象使富兰克林自然地想到天空中的闪电是否具有电的本质。他决心弄清楚雷电的电与莱顿瓶中的电究竟有什么区别。富兰克林整日整夜地想着他的宏伟计划。可是，怎么能把天电引到地上呢？他坐在屋前的旷野边，望着高高的苍穹，却想不出一个办法来。突然，他看见远处一群孩子正在你追我赶地放风筝，一个个风筝在高高的天空中飘来飘去，一个比一个飞得高，孩子们正在比试着……有了，风筝！就是它，它可以把天上的雷电引下来。
富兰克林开始着手制作他的风筝。他和儿子一起到郊外拾来一些杉树枝，风筝就用杉树枝做骨架，扎成菱形，然后蒙上一层不易湿透的绸子，风筝的上端装了一根一英尺长的尖铁丝，把它和牵风筝的亚麻线系在一起，亚麻线的下端接在一段不长的丝绳上，以便将风筝拉住，丝绳的末端拴一把金属钥匙。
1752年7月，在费城下大雷雨的一天，46岁的富兰克林领着儿子急急忙忙来到牧场，把准备好的风筝使劲地抛向了天空，口中喊道：“飞吧！”儿子威廉手里拿着线团使足了劲往前跑，风筝在大雨倾盆的空中张开了。本杰明·富兰克林从儿子手中接过了风筝线说：“给我，你到那边避避雨。”说着，雨却越下越大。“咱们一起到那边棚子檐下观察吧。”威廉拉着爸爸一起到附近的一所棚子的檐下进行观测。他们用手紧紧握住风筝下边的丝绳，怕它被雨点打湿了，因为丝绳牵着风筝。父子俩在屋檐下紧紧地盯着暴风雨中的风筝，不一会儿，风筝飞入了一块雷云之中，闪电在它周围闪烁，雷声隆隆，但没发生任何情况。威廉焦急地望着爸爸：“怕是这种办法不灵吧？爸爸。”富兰克林看看儿子，沉着地回答说：“再等等，咱们先不要放弃，说不定一会儿就会有奇迹发生。”一会儿，闪电又出现了，“啪”，闪电击中了风筝框上的金属线。突然，亚麻线上有几处散开的纤维直竖了起来，而且能够被手指吸引，是一种看不见的力量使它这样。富兰克林用食指靠近钥匙圈，骤然间，一些电火花从他的食指上闪过，与摩擦生电时产生的电火花一样。他抱起儿子大喊到：“电，天电捕捉到了！”富兰克林被这巨大的兴奋激励着，竟然忘记了这猛烈的电击所带来的身体上的不适。很幸运，闪电很弱，他没有受到什么伤害。
天电就这样被勇敢执著的父子给引下来了。这个实验非常清楚地证明了天空中的闪电就是一种放电现象，只不过其规模更大，更有声势罢了。
天电终于引下来了，但是富兰克林并没有就此善罢甘休。没过几天，又是一个雷雨交加的傍晚，他带着儿子，拿着事先准备好的莱顿瓶和他的风筝来到郊外，和上次一样，他们还要继续实验，不过，这次不是尝试，而是要把天电引到莱顿瓶中，拿回去研究它。当“劈啪”一声响过后，一朵蓝色的火花从铁钥匙头上跳了出来。他的手臂一阵发麻，“快，把莱顿瓶拿来！”威廉迅速地递过来事先准备好的莱顿瓶，他把风筝上的钥匙串和莱顿瓶连接起来。他惊喜地看到莱顿瓶充电了。电在瓶里积蓄起来。他们高兴地把它拿回家告诉夫人：“这是天上的电啊，我要用它来做实验，看看它和地上的电有什么不同。”
富兰克林用天电做的第一个实验是用它引燃物体。他将莱顿瓶中的天电进行放电，当有火花产生时，把事先准备好的酒精拿来，酒精在电火的引燃下，熊熊地燃烧起来了。接着用它来做杀伤动物的实验，先用它来杀伤火鸡。在实验的时候，他一不小心用手触到了天电，富兰克林当场晕了过去，当他醒来时，看着周围惊慌失措、为他难过地亲人们，他却说了一句笑话：“好家伙，我本想电死一只火鸡，结果差点儿电死一个傻瓜。”一句开心的话，引出了大家脸上的笑容，也反映了富兰克林为科学研究不顾个人安危的献身精神。天电就是电，这是确定无疑的了。
富兰克林的风筝实验震惊了全世界。几千年来，人们只知道雷公电母的神话传说：要是人做了坏事，触怒了天神，就会雷声隆隆，电光闪闪，把树木烧焦、房间击塌、人畜打死。人们畏惧神灵的威力，只能祈求上帝保佑。如今，富兰克林揭示了雷电的真正面目，证明了雷电不是什么天神作法，而是天上带电的云相遇而产生的一种强烈的放电现象。富兰克林为科学事业不顾个人安危的献身精神，也激励着同时代人的奋斗热情。当富兰克林父子费城实验的消息传到俄国圣彼得堡以后，俄国科学院院士里赫曼和罗蒙诺索夫也来做这个实验，他们想把天电大量地引到地上来，因此他们的装置已不是简单的莱顿瓶和一只带有钥匙串的风筝。他们设计并制作了一种叫“雷机”的装置，想用它来把天电引下来。
他们把导线的一端接到实验室的实验电器上。1753年7月26日，当一场大雷雨即将来临时，坐在雷机旁的里赫曼俯身看雷机上的仪器的指针，刹那间，一个球形闪电突然从仪器跳到里赫曼头上，当场将他击毙。等罗蒙诺索夫闻声赶到时，已经为时太晚，无法挽救了。里赫曼就这样献出了自己宝贵的生命，成了探索电学事业的第一位献身者。
避雷针的发明
若能把天电引到地上来，它可以服务于人类，听从人类的指挥。但是人们更多的是领教了天电给人类带来的危害，多少高楼建筑在夹着隆隆雷身的电火中，顷刻间化为乌有，有多少无辜的生命死于天电所引起的熊熊烈火之中。人们面对着这灾难的深渊，畏惧、诅咒都无济于事。
我国古代的劳动人民在长期的实践中早就观察到了一种特殊的现象：尖端物体在大气中有时会在它的周围产生火花。人们常常发现，夜晚作战时长矛的尖端有亮光发出，这就是尖端放电现象。今天我们知道，尖端放电是由于空气中的大气电场在物体各部分感生的电荷分布不平衡所造成的。在物体的尖端部分，感生电荷特别集中，形成了局部强电场，强电场达到可以击穿空气的时候，空气就会发光、放电。
富兰克林在证实了雷电就是电以后，并没有为他的惊人发现而自我陶醉，他要将他的知识造福于人类。他想，既然天上的电与地上的电是一样的，那就可以设法“驯服”它，不让它随意施虐，危害人类。富兰克林根据尖端放电的原理，大胆地向世人宣告，在建筑物的外面最高的地方装一个不必太大的铁棒，它就会把雷电引向能容大量电荷的大地，从而可以保护建筑物免受雷击。于是，人们纷纷在墙壁或烟囱上装上一根铁棒，棒的下端连接一根用绝缘材料包裹的金属线，这根长长的金属导线连通到地下。这样，当雷电轰鸣时，天上的电就会被这个金属棒吸引，顺着导线直通到地底，从而保证建筑物安然无恙。富兰克林把这根金属棒称为“避雷针”。不久以后，避雷针在德国、法国、英国出现了。就连起初猛烈攻击避雷针是侵害神意的教会，最后也在教堂上安装了避雷针，至今它仍是千万幢楼房和高塔的“保护神”。
避雷针的发明是18世纪物理学实验取得的一个极大的成功，也是电学研究第一次找到了实际的应用。一根针，驯服了雷电，破除了迷信，不知拯救了多少生命，使多少房屋建筑免遭焚毁和破坏。富兰克林对人类社会的这一贡献，人们是永远不会忘记的。人们称颂他“把上帝和雷电分了家”。
电是我们今天最熟悉的事物之一，我们今天可以随意自如地应用它，让它为人类造福，这是因为我们了解了电的现象，认识了电的本性。但是，在认识电的漫长征途上却涌现许许多多可歌可泣的勇于为科学献身的科学家们。他们吃苦耐劳、勤于探索的精神，正是我们应该具备的。人类对大自然的认识还远远没有结束，许多未知领域的大门等待着你们去叩开。所以，从现在开始，你们就应该以科学前辈为榜样，努力学好科学文化知识，培养坚强的意志和为科学贡献一切的精神，准备去迎接21世纪的挑战。
孟德尔豌豆实验
科学发展到今天，人类探索生命运动规律的奥秘，已经不仅仅是认识它，利用它，而且还要改造它，控制它，甚至神话般地创造它。
正是现代遗传学这门新兴的学科，为人类揭示了生物的遗传规律。它告诉我们，只要实现生物之间的基因重组和转移，就有可能按照人类的需要创造出自然界从来没有的生物新品种。那么，谁又会想到，这门新学科的创始人竟然是19世纪奥地利的一个普通的基督教神父？置身于宗教法规森严的“神”的世界，约翰·孟德尔竟能为“人”创造出未来科学发展的美好天地。从20世纪70年代起，遗传工程的发展为在新世纪实现人工合成生命物质和创造新生命，开辟了十分诱人的前景。
最早的遗传意识
中国有句古语叫做“种瓜得瓜，种豆得豆”。子女酷似双亲，虽然不是惟妙惟肖完全相同，但这其中已经揭示了生物遗传性的存在。人们从古时候就注意到了孩子像父母的这种遗传现象。例如，年轻的父亲没有白发，也无胡须，其子与他一样，可是等上了年纪时却都长出胡须来，变成了白头翁。这真是不可思议。
长期以来，人们对这个问题的看法众说纷纭，19世纪对遗传性盛行的一种解释是“泛生论”。“泛生论”者认为在雄性体上存在着一种物质，这种物质是遗传性的载体，叫精液。精液在全身各部分形成并在血管中流动，精液通过雌雄交配进入雌性体。子女酷似双亲，就是因为精液在身体各部分形成，所以也就反映出该部分的性状。“泛生论”是由亚里士多德和其他一些古希腊人设想出来的，他们把它作为进化变异的基本机制，他们认为进化是许多世代“获得性状”积累的结果；“用进废退”使身体发生了变化。比如说，体育运动者发达的肌肉，而且这些变化可以传给子代，只要在全身形成的精液反映出这些变化，子代的性状就会表现出这些变化。“泛生论”也为19世纪的一些生物学家所接受。
后来，又有人提出了“种质”学说，这个学说区分了“种质”和“体质”两个概念，“种质”是指那些性细胞和产生性细胞的细胞，“体质”是指构成身体所有其余部分的体细胞。在繁殖过程中，“种质”自身永世长存，“体质”只是作为保护和帮助“种质”繁殖自身的一种手段而附带地由“种质”所产生。这种观点与“泛生论”形成鲜明的对照。支持“种质”说的人们为了证实自己的观点做了许多实验，虽然这些实验是很粗放的，但对以后的遗传学发展有相当大的影响。
现代遗传学之父孟德尔
遗传学的基本原理是在19世纪由孟德尔发现的，他是奥地利修道院中的修道士，他的实验和著作是科学研究的卓越典范，作为一个伟大的科学家，孟德尔的一生将永远留在我们的记忆中。
在奥地利西里西亚地区，靠近奥得河上游有一个小村庄叫海因赞多夫村，村子的最西头住着安东·孟德尔一家。约翰·孟德尔是这个贫苦家庭中的惟一男孩，安东·孟德尔和罗赛恩夫妇俩视小约翰为掌上明珠，他们指望着儿子有朝一日能出人头地，摆脱这世世代代都是农奴的贫苦生活。
1833年夏季的一个夜晚，劳累了一天的村民们大多都已酣然入睡。村子里静悄悄的，突然，安东·孟德尔的屋子，响起了一阵轻轻的叩门声。10岁的约翰·孟德尔打开屋门，也惊喜地叫了起来：“是您，托玛斯先生！”原来，这位面容和蔼可亲的绅士是小约翰正在上学的本地拉波尼克初级中学的校长，他是位既富有同情心又富有责任心的优秀教育者。那么，他深夜来访是要干什么呢？安东夫妇用猜疑的目光看着这位可亲可敬的绅士。“孟德尔先生，您的儿子很有天才，我怕我的学校会贻误他的宝贵前程。”托玛斯先生垦切地和安东·孟德尔夫妇俩交谈着。原来，他深夜来访的目的是为了说服约翰·孟德尔的父母同意儿子转到一所当地很有名气的高级中学——特洛堡大学预科学校去读书。可是，他们实在太穷了，除了家门口那个小园子以外，他们几乎没有一寸土地，平日只能靠打短工和租种地主家的地来维持全家人的生活。
生长在这个被称为“多瑙河之花”的美丽村镇里，约翰·孟德尔从小就对大自然、对四周围的花草树木都产生了强烈的兴趣。他的外祖父和父亲都是出色的园丁，有一手果树嫁接和植物栽培方面的精湛技艺。尤其是父亲安乐，除了种地之外，他几乎把自己所有剩余时间都花在家门口的小园子里。从幼年起，孟德尔就跟着父亲在园子里修剪花木，栽培果树，还种养了好多珍贵的奇花异草。在他幼小的心灵里，早就埋下了爱惜自然界一草一木的种子，他时常在心里产生了一个又一个疑问：“为什么各种植物会有不同的大小、形状？”“为什么花朵会有各种不同的颜色？”“为什么棉花的棉铃有的狭长，有的短阔？”童年的好奇使他对美妙无比的大自然产生了急于探索的愿望。进了托玛斯的学校后，他对自然科学的热爱有增无减。
托玛斯十分喜爱约翰·孟德尔，不仅仅是因为约翰聪明好学，门门功课都是优等，甚至比别人超出很多。根据他对约翰的了解，他确认这个孩子有独创的特殊才能，他将来会在自然科学方面创造出奇迹来，将会去探明大自然隐而未显的秘密。他认为，在那所具有二百多年悠久历史的预科学校里，约翰·孟德尔会成长为一名卓越的科学人才，那里有丰富的自然科学藏书和博物馆，优秀的师资和无与伦比的客观条件将会对约翰今后的前途产生决定性的影响。
19世纪的欧洲，政府和学校都受到教会控制。学校当局只重视拉丁语、法律和历史等课程的学习，认为学习自然科学是不体面的事。而托玛斯却是个热心于自然科学的人，他知道孟德尔从小就聪明过人，勤奋好学，四年就学完了小学的全部课程，一年前是以第一名的成绩考入了自己的这所初级中学的。他很快就注意到了孟德尔是个自然科学的天才，他下定决心要把这孩子送到预科学校，去接受更严格的教育。
经过校长的劝说和约翰的恳求，安东夫妇最后决定，与其把孩子拴在自己的身边，倒不如让他去做自己喜欢做的事情。他们同意了校长的安排，决定将孟德尔送到更高一级的预科学校去读书。小约翰高兴得跳了起来，可是他哪里知道，父母的这一决定给他们的家里带来了很大的困难！事实上把儿子送到学费昂贵的预科学校去念书，安东夫妇实在是难以负担。无奈，儿子的宝贵前程就是他们的一切希望。他们想尽了一切办法，省吃俭用只凑够了约翰出远门上学的路费，他们根本无法保证每月寄钱去学校供孟德尔吃穿。
在特洛堡大学预科学校学习期间，孟德尔的生活异常艰苦，他没有钱，父母也根本没有钱寄给他，他吃的面包和牛油还是父母托人从家里带过来，他食不果腹，常常遭受饥饿的折磨，但他仍咬紧牙关，靠自己非凡的毅力来努力学习每一门功课。即使这样，他的学习生活也很难维持下去，贫穷的家境总是没有幸运的转机。有一年，他的家乡遭受严重灾害，收成很不好，父母为了供养儿子读书和维持一家人的生活，不得不离家在外服劳役。不幸的是，在劳役中一棵倒下的树干将父亲打倒在地，正压胸部，从此孟德尔的父亲失去了劳动能力。真是上天不睁眼啊！这样，家里再也无法供给孟德尔任何费用上学了。从此，不到十六岁的孟德尔只得自谋生路，依靠给别人当家庭教师的收入来维持学习。
1840年，孟德尔以优异的成绩从特洛堡大学预科学校毕业。在他的毕业证书上，写着的几门功课都是优秀。但是，穷困潦倒的家庭根本不可能继续供他上学，当时的孟德尔多么想到奥尔米茨大学哲学院继续深造，攻读自己喜爱的自然科学和哲学，但是，他因没有找到家庭教师的职位而失去继续上学的最后可能。他眼看着其他比自己成绩差的同学一个个走进了大学的殿堂。忧虑、悲伤，加上因饥寒交迫造成的极度虚弱，孟德尔病倒了，在床上整整躺了一年。
1841年，孟德尔用了妹妹的嫁妆钱进了奥尔米茨大学哲学院继续深造，在这里，孟德尔除了学习自己热爱的自然科学各门基础课外，他还同时学习德国古典哲学。在学习中，孟德尔迷恋上了黑格尔的辩证法思想和康德的宇宙理论。两位先哲的理论对他科学世界观的形成，起了很大的作用。
两年以后，钱又用完了，为生活所困，孟德尔含着眼泪离开了学院。命运迫使他只能走一条路：找一个不必为糊口而日夜操心的职业。
在布尔诺城修道院里，有一个美丽的植物园，这里一年到头草木葱茏，花香四溢。这是一个用科学的方法经营的花园，种有许多珍贵的奇花异草。植物园旁边，还有一个收藏丰富的植物标本室。这两处地方是修道院的神父克拉塞和泰勒两人苦心经营起来的。他们俩都是奥地利有名的植物学家。白天，这里是他们进行花木栽培等科学实验的场所，夜晚，神父们便聚集在这里探讨各种学术和政治问题。
其实，在这座修道院所在的布尔诺城是该地区科学文化的中心，许多神父都是奥地利颇有名气的学者。主教纳帕是大学教授，对哲学、语言学和数学、生物学等都颇有研究。其他神父也都是布尔诺哲学院或是大学预科学校的专职教师。
1843年9月，修道院里新来了一位年轻的见习修士。他身材矮胖，额高嘴阔，一双天真善良的蓝眼睛藏在镜片后面，总是闪烁着好奇、沉思的目光，他就是约翰·孟德尔。被生活所迫放弃学业后，他感到惟有到修道院工作才能保证温饱。他给自己取了个教名叫“格里戈尔”，他下决心在这里度过安贫乐道的一生。当然，孟德尔的内心十分痛苦，因为他不得不放弃自己所酷爱的自然科学和哲学，而整日里去攻读那些枯燥无味的神学，并且清心寡欲地为“上帝”祈祷终生。这年，他只有21岁。可是没过多久，孟德尔就比较适应修道院的生活了，这里的一切远非想像的那么恐怖，他的心情渐渐地放松下来，他发现，在修道院里，他不仅不用为生活奔波，亦能摆脱经济上的困扰，而且同样可以深造。其实，他十分幸运地跨入了另一扇科学院的大门。修道院里丰富的藏书、知识渊博的老师，为他创造了如同奥尔米茨大学哲学院一样的良好环境。他完全可以利用这些条件钻研他喜爱的自然科学。由于从小对生物的特别爱好，修道院中的那座植物园和植物标本室是孟德尔最喜欢的去处。他的大部分时间都是在这里度过的。克拉塞神父也十分喜欢这个虚心好学的年轻人，经常向孟德尔传授植物学和果树栽培学知识，指导他做植物杂交实验。就这样，孟德尔通过名人的指导，再加上自己的勤奋努力，靠自学的方式不遗余力地弥补了自己知识上的不足。
但在另一方面，为了在修道院里生存下去，孟德尔不得不硬着头皮啃那一大堆枯燥晦涩的神学课程，如教义学、教会史、宗教法、神学和伦理学等。四年后，孟德尔修完了修道院规定的神学的全部课程，又经过一年的见习，被正式提升为神父，负责教会医院的传教工作。但是，他最感兴趣的还是修道院里的那个小植物园和标本室，一有空闲，就跑到那里去摆弄花草，搞一些植物杂交实验。
孟德尔是一个做事认真的人，在他所负责的教会医院的传教工作中，他讲解得非常认真、努力，表现出了具有传道、授业的特殊才能。正巧，修道院附近的策涅姆大学预科学校需要一个教物理学和博物学的代理教师。主教纳帕看中了这个思想敏锐、活泼好动、勤学上进的年轻人。一天，主教把孟德尔叫到身边说：“年轻人，去传授自然科学知识给学生们，你看怎样？”这正中孟德尔的下怀，他早就想离开这里，换一个工作环境。因为他患有一种轻微的神经质疾病，每当在医院里传教，看到病人的痛苦状时，便会极度恐惧，他非常想换一种事情去做，这样也许更能发挥自己的才能。教师生涯也许能摆脱神学的缠绕，他愿意把自己十分喜爱的自然科学知识传授给学生们。
一般来说，在预科学校当教师，必须受过大学教育并通过教师过关考试，而孟德尔没有任何资格。但他学识渊博，待人谦虚，讲课生动、形象，深受学生们的爱戴。每到节假日，学生们便来到修道院，和孟德尔探讨各种问题。孟德尔带着学生们到植物园，教他们学习植物杂交技术，讲解植物花草的有关生物知识。对每一个学生来说，这位和蔼可亲的教士，既是良师，又是益友。
1850年夏天，孟德尔来到维也纳大学参加教师转正考试，出乎他的意料，他竟然没有通过这次考试，孟德尔充满自信的眼中流露出了迷惑和不解，但挫折并不能动摇他的意志，他接连参加了两次考试，但都失败了。原来他的富于独创性见解的答卷，超过了主考官们所能理解的水平。他们在孟德尔的自然科学试卷上写着这样的评语：“该考生对这门课程的传统知识不够理解，他使用自己的语言，表达自己的观念。”囿于传统知识的圈子内，主考官们当然不能理解这位未来优秀科学家的真知灼见。但是，皇天不负苦心人，英才终究会有人欣赏，维也纳大学的物理学教授、物理学评卷人被他的顽强精神所感动，同时也十分欣赏他的物理天赋。1851年暑假，他写信给纳帕主教，建议送孟德尔到维也纳大学学习。同年十月，孟德尔来到了这所梦寐以求的高等学府。
维也纳大学的进修，对孟德尔来讲是从天上掉下来的好事，在他的一生中，这段学习生活无疑是最幸福的。在这里，他犹如久旱的禾苗贪婪地吮吸着知识的雨露和养分。作为一个进修生，他的学习时间不像其他学生那么宽裕，他分秒必用，为此，他放弃一切娱乐活动和节假日休息时间。除了必修课外，他还大量阅读最感兴趣的数学、物理学和生物学方面的书籍。就这样，孟德尔仅用了两年时间就学完了一般学生需要用三年多时间才能学完的全部课程。
维也纳大学是欧洲有名的大学，这里集中了一大批优秀的科学家，其中有著名的物理学家——“多普勒效应”的发现者多普勒，著名物理学家、数学家爱汀豪森，欧洲最优秀的植物学家翁格尔等人。孟德尔分别在他们的手下学习和工作过。在他们那里，不仅学到了一个科学家所必须具备的娴熟的实验操作技巧和敏锐的观察能力，而且还在研究方法上得到了训练。比如，爱汀豪森的用数学方法解决自然科学研究问题的思想，为以后孟德尔进行遗传实验时创立独特的数学统计方法提供了强有力的思想基础。
在维也纳深造期间，对孟德尔影响最大的是翁格尔教授。这位进化论的先驱者，经常努力地向自己的学生灌输物种变异与进化的思想。这极大地鼓舞了孟德尔敢于同传统势力作斗争的勇气。翁格尔关于植物杂交与变异的理论也为孟德尔以后形成自己的遗传理论打下了基础。正是在这些名师的熏陶和指导下，孟德尔受到了系统、严格的科学训练，奠定了全面的知识基础，学到了大科学家独特的研究方法，并且获得了在修道院里所不能获知的科学信息，了解了科学发展的状况和突破口。这一切都是他日后作出重大科学发现的潜在因素。在孟德尔的一生中，维也纳大学的进修，是他科学生涯的重大转折。
科学研究的典范
孟德尔以优异的成绩结束了维也纳大学的学习生活。他满载而归地回到了布尔诺后，被聘为布尔诺高等技术学院的助教，教物理学和生物学。那年，他32岁。
在学院里，孟德尔以其自身的优秀品质和渊博的学识很快地博得了教授们的好感。气象学家耐塞尔教授尤其喜欢这个勤奋、厚道的年轻人。他们早已成了好朋友，两人经常在一起切磋交流各自在不同领域里的研究体会。有一天，耐塞尔教授来到修道院，两人在修道院的林荫道上谈着学术界的各种问题。孟德尔把教授带到花园里，去看看教授所关心的他的豌豆实验。
穿过林荫道，绕过五彩缤纷、香气袭人的花圃，他们走进一块狭长的、种满了豌豆的园地。这块地约35米长，7米宽。看上去虽然比较贫瘠，但一排排豌豆却长势喜人。孟德尔看见这一串串嫩绿、饱满的豆荚，高兴得合不拢嘴，他把这些豌豆比做他的儿女。孟德尔的做法引起众人的不理解，有人对他进行讥讽，说他行为“反常”，有人说他只不过是为了消遣而已，作为孟德尔的好朋友，耐塞尔也不理解他为什么要这样痴迷，但是，教授相信孟德尔的所作所为，还是很支持他的实验。孟德尔看着教授疑惑的脸，知道他心里想着什么。“我将年复一年地观察这些豌豆的子子孙孙们，通过实验找出植物遗传的规律性。”孟德尔对教授这样说。他毫不理会庸人们的嘲笑。他心中早有定数：要解决植物的形态和花的颜色等根据什么法则传递给后代的问题。
在我们开始进行自然科学研究之际，仅糊里糊涂地做实验是没有意义的。我们首先必须考虑好要解决什么问题，用什么做材料，采取什么样的方法进行实验以及如何处理其结果等。这些都是事先计划好并根据它来开展研究。孟德尔就是出色地处理这些问题的典范。
对于生物性状遗传问题的探讨，孟德尔早就十分关注了。还是在18世纪中叶，科学家们就开始进行动植物的杂交实验，当时是围绕“杂交能否产生新种的问题”。到了18世纪末期，这个问题解决了，杂交实验的结果打破了神创说者的“物种不变论”。到了19世纪，关于动植物的杂交研究又进一步朝两个方向发展，一个方向是园艺学家或植物育种专家为了提高农作物的产量，通过杂交悉心培育优良的新品种；另一个方向则是理论研究，探索生物遗传与变异的奥秘，即：生物性状的遗传是否有规律可循？许多生物学家的实验得出同一结论：似乎是有规律可循。但是究竟是什么规律？为什么会产生这种有规律的遗传现象？这些问题成了当时生物学家迫切需要解决的重大课题。孟德尔决定向这个课题发起冲击，进行一种豌豆杂交实验。
孟德尔为什么会选择这个研究课题呢？当然除了他从小对植物和园艺的爱好外，更重要的是，在著名的植物学家翁格尔的指导下，孟德尔懂得，确定研究课题的关键是寻找当代科学发展的突破口，解决迫切需要解决的重大课题，才可能得到前人所没有得到的重大发现。
豌豆实验
1856年春，孟德尔向修道院要了植物园中一块废弃不用的荒地，种植和栽培了豌豆、菜豆、玉米、草莓等，他还饲养了蜜蜂、家鼠等小动物，以便能从中挑选能进行动植物遗传杂交试验的材料。经过反复实践，他确定豌豆是最适宜做杂交实验的。孟德尔从种子商那儿得到了许多品种优良的豌豆，花了两年时间进行选种，从中选出了一系列具有单一性状的优良品系用于实验。他认识到每次实验必须要注意单一性状。例如，种子的性状，而不是整个植株。他选了22个性状稳定的品种，又选出了其中7对性状可以明显区分的，如黄色和绿色的叶子，高茎和矮茎，光滑种子和皱皮种子，豆荚饱满的和不饱满的等等。他在实验中发现：用于杂交实验的品系的子代的某一特定性状总是类似于亲代。
豌豆是自花授粉进行繁殖的，植株的结构使某一朵花的花粉通常落到同一花朵的柱头上而发生受精作用，这叫自花授粉。然而杂交也比较容易做到。孟德尔打开一花芽，在花粉散落之前就除去雄蕊，从而防止自花授粉，然后他给这朵花授以另一朵花的花粉。在一次实验中，孟德尔用结饱满种子的植株与结皱缩种子的植株进行杂交，由此研究种子性状的遗传。实验结果非常明确：产生饱满种子的植株不管作为父本还是母本，子一代（F1）杂种植株全部都结出饱满种子。皱缩性状看来是被饱满性状的显性所掩盖了。孟德尔发现他选定研究的七种特征都是这样的情况。在每次试验中，F1杂种只出现两个相对性状中的一个，孟德尔把这类性状（饱满种子、黄色豌豆和腋生花等）称为显性性状，而那些在F1杂种不能显现的性状（皱缩种子、绿色豌豆和顶生花等）称为隐性性状。
后来，科学家们发现，一个性状对另一个性状呈显性是常见的，但不是绝对的现象。某些情况下有“不完全显性”，即子一代杂种是两个亲体的中间类型。例如，开深红花的金鱼草植株与开白花的植株杂交，产生的子一代杂种的花都呈粉红色。产生这种结果的原因很简单，因为粉红色花的红色素比深红色花的红色素要少，而白花中则一点红色素也没有。双亲的某个性状都出现在子一代中的例子也很多，这称为“共显性”。例如，一个人从双亲那里继承了A型和B型血型，从而同时表现出A和B的血型。A和B两种血型特有的物质（抗原）同时存在于这个人的血液中。
孟德尔种下了子一代杂种结出的种子，等它长成植株后使其自花授粉。在饱满种子和皱缩种子两种植株杂交的子二代植株上结出的同一荚果内同时出现了饱满和皱缩两种种子。他统计了这些种子的数目，其中有5474颗是饱满的，1850颗是皱缩的，这个比值是2.96∶1，非常接近于3∶1。于是孟德尔又继续做了其他的杂交实验，结果都得出同样的比值，在每一次试验中，子二代出现的显性性状通常是隐性性状的3倍。
孟德尔接着准备研究子二代的饱满种子和皱缩种子是否真实遗传的问题。他又在试验地上播种了子二代种子，等长成植株后对它们进行自花授粉。结果，皱缩种子长成的植株自花授粉后只产生皱缩的豌豆。但是，饱满种子的情况则十分不同。尽管从外表上看它们很难区分，但这些饱满种子却有两种类型：其中1/3的种子，种植后长成的植株只产生饱满种子；其他2/3长成的植株产生饱满和皱缩的种子，比值为3∶1。这说明1/3的饱满种子（或者说子二代全部种子的1/4），是真实遗传的，其余2/3（或者子二代全部种的一半）像子一代杂种，它们长成的植株结出饱满和皱缩种子的比例为3∶1。孟德尔又用其他性状做这个实验，其结果都完全相同。在每个试验中表现出隐性性状的子二代植株是真实遗传的，它们的种子所产生的子三代植株与亲本是完全相同的。但是，表现出显性性状的植株却有两类：1/3是真实遗传的，另外2/3产生的子三代中，显性和隐性性状的比例为3∶1。也就是说，子代性状产生了分离现象，而且这种分离还遵循着一定的规律。
以上所谈到的孟德尔的实验都是涉及单个性状二者择一的表达。如果同时考虑两个性状将会有怎样的结果呢？孟德尔继续用豌豆做他的实验。他用种子饱满而呈黄色的豌豆植株与种子皱缩而呈绿色的植株进行杂交。结果如预期的那样，子一代（F1代）的所有豌豆都是饱满和黄色的，再用子一代的植株（都是饱满和黄色的）进行杂交，在子二代即“孙子”代中，出现了令人感兴趣的结果。对他的实验结果，孟德尔曾考虑到有两种可能：第一种可能是来自亲体的性状将一起传递；第二种可能是这些性状将彼此独立地遗传。孟德尔以他特有的洞察力从这些可能的选择中作出了他的预测。如果第一种可能是正确的，即来自亲体的性状一起遗传，那么子二代只有两种种子：饱满－黄色和皱缩－绿色，根据单性状遗传的规律，它们的比例将是3∶1。如果第二种可能是正确的，即性状独立遗传，那么将有四种种子：饱满－黄色（两种显性性状）、饱满－绿色（显性－隐性）、皱缩－黄色（隐性－显性）、皱缩－绿色（两种隐性性状），它们的比例将是9∶3∶3∶1，孟德尔从他的实验地中发现他的子二代豌豆确实有四种类型：其中314颗是饱满－黄色，108颗是饱满－绿色，101颗是皱缩－黄色，32颗是皱缩－绿色。这个结果非常接近他所预计的9∶3∶3∶1的比例，因此孟德尔断定，植物的不同性状是独立地传递的。
孟德尔在解释他的豌豆实验时，他引用了一个新的生物学概念叫“因子”，他把生物的相对性状归根于因子所决定，这些因子就是现在所说的基因。这些基因可通过配子从亲代传递给子代。孟德尔在两种性状的各种组合中证实了独立遗传规律。他在亲体同时有三个不同性状的实验中也证实了这个定律，这个实验称为“三因子杂交”。
考虑两棵豌豆植株间进行杂交，其中母体的植株是饱满－黄色－紫花，而父体的植株是皱缩－绿色－白花。那么，他们的子一代杂种就是三基因杂合体，由于显性的作用，它结饱满－黄色种子并开紫花。如果这三对基因自由组合，那么三杂合体植株将以相同的概率产生8种配子，来自两个亲体的8种配子之间随机结合，将有27种遗传性状组成。因为显性的作用，这27种遗传性状组成将减少到8种植株，它们之间预期的比例如下：27饱－黄－紫；9饱－黄－白，9饱－绿－紫；9皱－黄－紫；3饱－绿－白，3皱－黄－白；3皱－绿－紫；1皱－绿－白。孟德尔在实验中所得到的数据的比例与这个比例完全相符。
孟德尔花了整整8年的时间，从春到秋，天天都全神贯注，小心翼翼地观察着他的豌豆实验，仔细记录每一代“子孙”的各种特点，此外，孟德尔还做了大量繁琐的工作，据统计在长达8年的实验中，他一共栽培了数以千计的豌豆植株，进行了350次以上的人工授粉，挑选了一万多颗各种性状的种子。
豌豆实验证实了孟德尔所预想的结果。于是治学态度严谨的他又用玉米、菜豆等植株品种做杂交实验，以便确定在豌豆属里发现的遗传规律是否也适用于其他植物品种。直到实践证明，他的结论可以推广到一般品种才肯罢休。
孟德尔遗传规律
1865年2月8日下午，在布尔诺高等技术学院的一座小房子里，正在举行布尔诺自然科学研究会例会。研究会的秘书长耐塞尔教授站起来向大家宣布：“今天，将由格里戈尔神父报告他的关于植物杂交试验的新结果。”穿着黑色修士长袍，腋下夹着一叠论文的孟德尔缓步走上讲坛。他那双灰蓝色的眼睛里闪出自信、真诚的目光。
“植物的遗传和变异有两条规律可循。”当孟德尔宣布了这个结论后，全场鸦雀无声，在座的每一个人都把专注的，满怀兴趣的，但又是疑惑的目光投向讲坛。孟德尔顿了顿，继续言辞清晰地讲下去：
第一，当具有成对不同性状的植物杂交时，所生第一代杂种（“儿子”）的性状都只与两个亲体（即杂交的“父”与“母”）中的一个相同，另一个亲体的性状则隐而不显。这是显性定律（也就是现在遗传学上所说的孟德尔第一定律）。如将“儿子”们（杂种第一代）再自相杂交，所生“孙子”（杂种第二代）的性状就不再相同，而会发生“分离”，而且显性性状的个体数与隐性性状的个体数之间的比例是个常数——3∶1。这是分离定律（也就是孟德尔第二定律）。
第二，当同时具有两对或两对以上不同性状的植物杂交（如圆粒兼黄色的豌豆杂交皱粒兼绿色的豌豆），所生第一代杂种全是圆粒兼黄色的，而第二代杂种的每一对性状各自按3∶1的比例独立分离、互不干扰，也即圆粒黄色的与圆粒绿色的比例是3∶1，而皱粒黄色与皱粒绿色的比例也是3∶1，这就是独立遗传定律，也叫自由组合定律（即孟德尔第三定律）。
接着，孟德尔款款细述导致这些结论的实验经过，以及对这些结论的理论证明。在座的学者们，包括布尔诺最有名望的生物学家、化学家、植物学家都全神贯注地倾听着，他们完全被这个新奇的理论吸引住了。
报告结束了，学者们向孟德尔鼓掌致意，不是热烈的，而是有礼貌的掌声。没有人提出疑问，也没有人大声叫好，会后也没有举行讨论。显然，孟德尔的理论超越了与会者所能接受的水平。
在孟德尔以前的许多科学家也曾试图解释生物性状是如何遗传的问题。他们也用植物或动物进行杂交，然后观察子代和亲代的相似性。结果是令人迷惑不解的：子代的一些性状像一个亲体，另一些性状像另一个亲体，再一些性状则显然与哪一个亲体也不相像。找不到明显的规律性。而孟德尔却取得了成功，这应归功于他卓越的洞察力和实验方法。他的定量研究的方法和数量统计能力简直是惊人的，他所采用的遗传学分析法——统计在适当杂交的子代中每一类个体的数目——现代仍在使用。这是20世纪50年代分子遗传学发现之前惟一的遗传学分析方法。除了这种成功的方法以外，孟德尔之所以成为天才的科学家，还在于他构思创建性理论时表现出的独创性，虽然孟德尔的理论是作为一项假说而提出的，但他阐述得相当完美。
耐塞尔教授早已敏锐地预感到，孟德尔的遗传学理论将来一定会被人们所接受，而且还可能带来一场惊世骇俗的思想革命。在他的热心支持和帮助下，1866年布尔诺自然学研究会会刊发表了孟德尔的题为《植物杂交实验》的著作。遗憾的是，这部价值非凡的科学著作并没有引起世界科学界的重视，它的绝大多数印本都被丢在图书馆里无人问津。直到34年以后，即1900年，由荷兰的德弗里斯、德国的科伦斯和奥地利的丘尔马克这三位生物学家，分别在自己的研究中重新发现了孟德尔的遗传定律，才使淹没多年的这个伟大学说走向世界，获得了国际性声誉。当然，孟德尔自己坚信这个理论对生物科学有“难以估计的意义”。他在晚年曾对他的朋友说：“我的时代一定会到来！”
作为优秀的科学遗产，孟德尔的遗传学规律学说已载入了自然科学的史册；作为一个伟大的生物学家，孟德尔“定量”实验研究和统计分析的方法为科学工作者们开辟了一条成功之路。
α散射实验
原子，作为物质组成的一种主要微粒，在科学技术高度发达的今天，已不再是鲜为人知的外来词。就连其复杂的内部结构，也不是深不可测的未知世界。“原子是由原子核及核外绕核高速运动的电子组成的”，这是众所周知的原子核式结构理论。然而，这一理论的形成绝非某些人的主观臆想，它的形成经历了其自身的发展阶段，凝聚了科学家们的智慧与心血。厄内斯特·卢瑟福在确凿的实验基础上提出了这一原子核式结构理论。
打开原子世界的大门
早在19世纪初，科学家们就通过对一系列物理和化学现象的研究，已初步认识到：原子只是在化学反应中保持元素性质不变的最小微粒，而不是在物理结构上不可再分的最小微粒，原子可能有自身的内部结构。那么，原子的构造究竟是怎样的呢？
原子的尺寸太小了，人们还不可能用肉眼对它的内部结构进行直接的观察。人们能够直接捕捉到的一些原子信息，只是一些宏观现象，比如原子光谱、元素周期变化的性质、各种电子现象、天然放射现象等等。在这种情况下，人们要探测原子的内部结构，就需要靠人们依据一定事实的想像，用模型化的方法来探索它。
所谓模型化的方法，就是通过对人们构想出来的某种模型的研究来达到对模型所模拟事物原型的认识的一种研究方法。这种方法是人们在探索未知领域过程中的一种重要手段。模型可以是一种定性的描述，例如利用某种实物或图像，因而具有直观性、形象化的特征；模型也可以作定量的处理，例如，建立某种数学模型，从而深刻揭示出被模拟对象的某些内在的本质联系。模型可以在科学事实和科学理论之间起到桥梁作用。运用模型化的方法不仅可以解释已知现象，而且可以在模型的基础上，建立起新的科学理论，从而预言更多的未知现象。
科学家们在企图打开原子世界的大门，对神秘的原子世界进行探索的时候，正是利用了原子模型这一有利的科学工具。
最早在实验科学的基础上提出原子有内部结构概念的科学家是安培，他认为，化学元素的原子是由更细小的亚原子粒子组成的。他为了解释磁现象，还曾提出过有关分子环电流的假设。在以后的几十年里，科学家们对原子的结构纷纷提出自己的设想。德国科学家费希纳于1828年从安培的观点中得到启发，设想每个物体是由一些类似太阳系一样，尺寸很小的原子组成，每一个“太阳”原子都伴随着一些较小的“行星”原子，像天体一样由万有引力联系起来。
后来，韦伯于1874～1875年间，又在费希纳模型的基础上作了进一步的改进。他认为重的“太阳”原子和几乎没有重量的“行星”原子都是带电的，因此维系它们的力是电力。但他认为中心的重粒子带负电，围绕它旋转的轻粒子带正电。以上所说的这些模型的最大困难在于，这些组成原子的微粒都是一些假想出来的物质，没有任何实验根据。直到19世纪末，电子和天然放射现象被发现后，原子模型的构想才开始建立在经过实验发现的粒子的基础上。
正当德国物理学界沉浸于热辐射问题研究的时候，其他国家的大多数科学家都在19世纪末物理学三大发现的鼓舞下，不仅掀起了一股研究各种射线的热潮，而且也为揭示原子结构的奥秘重新设想了各种各样的模型。
开尔芬在1867年曾经提出过“涡旋原子”的模型，他在当时科学实验所提供的信息的基础上设想出，原子可能不是一个密不可分的颗粒，而是由一些做涡旋运动的更小微粒组成的。后来，他在1901年，又提出了一种新的原子模型，认为原子是由带正电的均匀球体所组成，带负电的电子以独立的形式分布在原子球体内。这些电子在原子内能自由地运动，并受到一个指向原子中心的电力作用。原子球内，正负电荷相同，因此对外表现为中性。当电子离开原子时，可能会以超过光速的速度飞出，这时物体就是放射性的。开尔芬的这个原子模型是有一定的合理成分的。当年居里夫妇从事放射性研究时，主要的依据就是这个原子模型，显然，这种模型是非常成功的。但是，它毕竟还不是一个完美的理想模型，它的成功还具有一定的局限性。利用这种模型，不能解释原子光谱和元素性质的周期性，它也没有对原子的稳定性给予完备的说明，所以，根据历史的发展规律，它必将被新的更科学、更合理的原子模型所取代。
J·J·汤姆逊是第一个用实验的方法证明电子存在的人，他早就认为原子理论中，最关键的问题是对门捷列夫元素周期律的解释。在1897年，他发现电子的时候就暗示了束缚在原子中的电子，可能提供了元素周期律，换句话说，元素的周期性可能是由元素的原子中的电子决定的。他的这个预见性的想法，现在已被证实了是何等的正确！
他在设想原子模型的时候，受到了迈耶尔关于磁悬浮体实验的启发，迈耶尔将一些磁针插在木塞里，然后将它们放在一碗水中，这些磁针在碗上方中央一块磁铁所形成的中心磁场的作用下，会形成整齐的稳定排列。汤姆逊把这个实验与电子在原子正电球内的排列联系起来。于是，他着重考虑了漂浮在正电球中的电子数目和它们的排列顺序。为了维持原子的稳定性，他设想电子可能是按一定顺序排列的。经过一定的计算后，他认为当电子数少于4个，至少两个时，这些电子有规则地排列在与中心保持等距离的位置上；然而，当它们的数目超过4个时，它们就要分布在一些同心圆环或同心球壳上，这些环或壳上的电子数呈周期性排列，电子在自己的平衡位置附近振动。
J·J·汤姆逊的这个模型有一点像西方人吃的那种夹了葡萄干的面包，又像是一只红瓤黑子的西瓜，所以历史上被人们称之为“葡萄干面包”模型或西瓜模型。这个模型的成功之处在于它保持了原子的稳定性并解释了元素的周期性。这个模型在当时众多的关于原子的描述中是最科学、最成功的模型，而且长时间地占据主导地位。但是，它在解释光谱现象和放射性时遇到了很大困难。
就在汤姆逊构思“葡萄干面包”模型的时候，在地球另一侧日本东京大学的科学家长冈半太郎提出了另一种原子模型。
他认为原子是由许多电子围绕一个带正电的重核旋转的体系，就像土星和它的圆环一样。由于这些电子在各自的圆环上振动而发光，在不同圆环上的电子会产生不同的振动方式，具有各自不同的固定振动频率，所以就形成了分立的线光谱。但这样必须假设每个原子都要有许多电子绕核旋转，这就无法对元素的周期性给予解释。他还根据天文学上关于土星环运动稳定性的研究，得出了他的模型中环的运动方程。但他所提出的模型，远不如“葡萄干面包”模型影响大。
在以上所谈到的众多的原子模型中，我们看到了每种模型都有自己的成功之处，但每种模型又都有自己的局限性，它们中还没有一种模型能解释所有的原子所表现出的性质。所以，人们还需要不断地去探索，去寻找那个合理而又科学的原子结构。英国物理学家厄内斯特·卢瑟福，一生为此付出了大量心血，做了大量的科学实验，最后终于发现了确凿的理论根据，建立了迄今为止最科学、最合理的原子核式结构模型。
卢瑟福与他的时代
卢瑟福的祖籍是苏格兰，祖上世代为农民兼手工业者，后来迁移到新西兰。厄内斯特·卢瑟福出生在与他终生结下不解之缘的卡文迪许实验室成立并动工建筑的同一年，即1871年。勤劳、奋斗和实干的家庭，使他从小就懂得从实际出发，通过自己的脑和手进行创造性的劳动，才是人生价值的真谛。
卢瑟福童年时生活在一个多子女的大家庭里，贤慧而有教养的母亲把教师之心和母爱倾注在对12个孩子的抚养上，她教育孩子们要兄弟姊妹友爱互助，让他们朗读书籍，相互倾听、启发和纠正。有时，她像教师那样把地图挂到墙上，向孩子们讲解国内外地理和时事新闻。她有一架钢琴，而且弹得很好，优雅的琴声，孩子们的歌声，使卢瑟福经常陶醉于家庭之爱和音乐的享受中。喜欢音乐和朗读后来成了卢瑟福的爱好。但是，天有不测风云，在他13岁时，他的两个弟弟在佩洛鲁斯海峡的一次翻船事故中被淹死，他的父亲在岸边寻找尸体长达几个月之久。从此，家中再也听不到母亲的琴声，母亲长期处于悲痛之中，卢瑟福因此受到很大的刺激，他暗下决心，一定要发奋努力，为家族争光，以分担父母的悲伤和家庭的负担。
卢瑟福在学生时代，以数学好著称。但是，把他首先引向科学研究领域的却是实验家毕克顿教授。毕克顿教授在为他写的1851年大英博览会奖学金证书中写道：“从一开始，他就对实验科学展示出不凡的素质，并且在研究工作中表现出高度的创造性和能力……”并进一步介绍卢瑟福的品德说：“就个人而言，卢瑟福先生有着如此敦厚的性情和那么愿意帮助其他同学克服他们的困难，也热爱所有曾经同他接触过的人。”
卢瑟福在坝特伯雷学习的4年中，曾多次获得奖励，同时获得了几个学位，并参加了一些学术组织，在各项活动中都表现出积极、主动热情的品格，并任过负责人。在学习期间，为了贴补费用，他曾在中学任过短期代课教师，也做过家庭教师。在大学一年级的年末，他寄住在女房东赖因齐·牛顿家里，她是一个有4个女儿的寡妇，后来卢瑟福与她的长女玛丽·牛顿相爱，并私定终身。卢瑟福是一个对父母、对师长、对朋友和爱人感情始终专注、忠诚的人，他一旦与玛丽·牛顿有了感情，便忠贞不渝，从未对别的女人产生这样的感情。1895年，大英博览会奖学金考试，卢瑟福终于被录取。为了科学上锦绣前程的生涯，他不得不与未婚妻告别，去到当时著名的科研中心——英国剑桥大学三一学院的卡文迪许实验室做研究生。从此，卢瑟福正式走上了神圣的科学研究道路，就是在这条艰苦而又伟大的道路上，他以α射线为武器，成功地打开了原子的大门，建立了原子核式结构理论，写下了科学史上不朽的篇章。
X射线并不是核现象，但它却是导致核现象的起因，所以在我们了解α射线之前，我们的故事从X射线的发现讲起。
一提起X射线，我们马上会联想到医院里的X光室。在那里，医生可以为你透视肺部，看看肺里有没有病；手脚骨折了，医生也要叫你先拍一张X光片，看看骨头坏了没有，伤在何处，然后再进行治疗。X射线除了能诊断疾病之外，在工业、科学研究等领域也发挥了重要的作用。但这X射线在19世纪初还没有一个人认识它。
在19世纪末，许多物理学家在实验室中进行模拟雷电研究时，发现了阴极射线这种物质，当时世界各国的各大实验室都在致力于研究这种射线。在这个世界范围内研究阴极射线的热潮中，德国维尔茨堡大学的校长伦琴也对这个问题发生了兴趣。伦琴是位治学严谨、造诣很深的实验物理学家。1895年11月8日傍晚，伦琴在自己的实验室里操作着阴极射线管，他先把阴极射线管用墨黑的厚纸包严，不让一丝光线进入，实验室里漆黑一片，他打开开关。突然，不超过1米远的小桌上有一块亚铂氰化钡做成的荧光屏上一闪一闪地发出光来，细心的伦琴没有忽略这一奇异的现象，他想把荧光屏移远一点继续试验，当他拿起荧光屏的时候，不由得毛骨悚然：一个完整的手骨的影子出现在荧光屏上，吓得他浑身冒出了冷汗。当时他还不相信自己的眼睛，这究竟是在做实验还是中了邪魔，当他定神之后，手骨的影子也消失了。伦琴决定反复试验。于是他打开了灯，再仔细检查一下阴极射线管是否包裹好，当一切准备妥当，他又重复做了刚才的实验。啊！奇妙的光线又出现了，手骨影子又出现在荧光屏上，再一次试验成功，说明所发生的现象并非出于偶然，而是确确实实的实验事实。伦琴认识到这光线肯定不是阴极射线，因为阴极射线射程短，现在这射线能穿透过玻璃、黑纸、手，说不定是一种人类未认识的新射线。他越想越兴奋，越想要探索这新射线究竟是什么。
一连几天实验做下来，伦琴感到很累，他真想好好地休息休息，但强烈的探索欲望使他精神倍增，他又继续做起实验来了。他拿了好多东西，如木头、铁块、橡胶等一一放在阴极射线管和荧光屏之间，结果那种神奇的射线都把它们穿透了。后来他放上一块铅，又换了一块铂，终于挡住了这种射线。
伦琴的妻子一般不来实验室，但近一时期伦瑟好久没回家，为了弄清楚他究竟在干什么，她决定来探望他。一天夜里，她轻手轻脚地推开了实验室的大门，一看，自己的丈夫正伏在桌子上睡着了，她随手拿了件衣服给他披上，谁知这一披，惊醒了他，他马上站起来拉着妻子的手说：“来，给你做一个有趣的实验。”他把妻子的手放到一平台上，打开阴极射线管的电源开关，荧光屏上立即显示出一只手骨的图像，妻子惊奇万分，问：“是什么射线有那么大的魔力？”伦琴答道：“我也不知道，兴许是一种无名的射线吧！”这时妻子脱口说道：“还是个X！”伦琴听后，心头顿时一亮，连声说：“说得好，就叫它X射线吧！”从此这被伦琴发现的射线，就一直叫“X射线”，有时人们为了纪念它的发现者伦琴，也叫它“伦琴射线”。
X射线的发现轰动了整个世界，当时人们还仅仅把它当做一种游戏工具，后来医学家首先用它来帮助诊断病情，造福于全人类。不仅如此，更重要的是人们对X射线的研究，促使发现了天然放射线，揭开了微观物质世界的奥秘，从而打破了物理学的旧观念，激起了人们探索新事物的热情。
伦琴发现了X射线，并广泛应用到医疗诊断上，这件事大大激励了物理学家亨利·贝克勒尔，他是研究荧光和磷光的专家。他觉得X射线和荧光也许属于同一机理，都是从阴极对面的那一部分管壁发出的。于是，贝克勒尔想试试看，看看荧光物质发荧光的同时，会不会产生穿透力很强的X射线。
1896年2月的一天，贝克勒尔开始了他的实验。他取来一瓶荧光物质——黄绿色的硫酸双氧铀钾，这种物质在阳光的照射下会发出荧光，贝克勒尔想知道它们是否会同时发出X射线。他仿照伦琴检验X射线的方法，把一张底片用黑纸包得严严实实，再把一匙荧光粉倒在纸包上，然后拿到阳光下去晒一会儿。贝克勒尔将荧光粉再倒回到瓶里去，然后拿着一张底片的黑纸包进了暗房，冲洗后发觉底片感光了，它的上面是那匙荧光粉的几何影子。贝克勒尔知道，太阳光和荧光都不能穿透黑纸使底片感光。现在底片已经感光了，这说明荧光粉经太阳照射后确实能发出X射线。为了验证这个结果，贝克勒尔准备再做一次实验。可是天公不作美，从2月26日开始，连续几天阴雨。他只好扫兴地把荧光粉和用黑纸包得严严的照相底片一起放进写字台的抽屉里，等待天晴。关抽屉时他顺手把一串钥匙压在黑纸包上，边上就放着那瓶荧光物质。
3月1日天气放晴，贝克勒尔准备着手进行新的实验。细心的他在实验前特地抽出两张底片检查一下，看看是否会漏光。抽查的结果使贝克勒尔大为震惊：两张底片都已曝光，其中一张上还有那把钥匙的影子！这是怎么回事？底片是用黑纸包好后放在抽屉里的，又是连续几天阴雨，根本照不到太阳，那瓶荧光物质也不射出荧光，为什么底片会感光呢？
经过仔细的分析，贝克勒尔猜想，可能硫酸双氧铀钾本身会发出一种看不见的射线，这种射线也像X射线一样，能穿透黑纸使底片感光。在3月2日的科学院例会上，贝克勒尔激动地宣布了这个新发现，并声称原先他的推论是不合理的。其实，在日光照射后硫酸双氧铀钾射出的荧光中，并不含有X射线。贝克勒尔最初在阳光下做的实验，实际上也是放射性射线使底片感的光，只不过他误以为是X射线罢了。
3月2日例会后，贝克勒尔又精心设计了一系列实验。他对这种铀盐晶体进行加热、冷冻、研成粉末、溶解在酸里等物理或化学上的加工，他发现只要化合物里含有铀元素，就有这种神奇的贯穿辐射。贝克勒尔还用纯金属铀做试验，发现它所产生的放射性要比硫酸双氧铀钾强三四倍。他把这种放射线称为“铀射线”。在5月18日的科学院例会上，贝克勒尔宣布，铀或铀盐会自发放射出射线（铀射线）。这是一种新的由原子自身产生的射线，这种射线的强度并不因为加热、冷却、粉碎、溶解等物理或化学上的影响而发生变化，换句话说，这种射线非常“我行我素”，不管外界对它施加何种影响，它始终如一地发出射线。贝克勒尔的这一重大发现和伦琴发现的X射线一起，敲响了人类迎接原子时代来临的钟声。
伟大的物理学家卢瑟福，有幸处于这样一个激动人心的时代，他被时代的精神鼓舞着，时刻准备投入到这场轰轰烈烈的革命中，去发现更多的未知世界！
“新武器”的发现
α射线是卢瑟福用以揭开原子内部奥秘的主要的也是关键性的武器。α射线在卢瑟福的科研生涯中起到了不可低估的作用，与这一核物理学家结下了不解之缘。
α射线的发现是和放射性的发现紧密相联的。贝克勒尔通过照相底片的感光现象发现了铀能辐射射线，后来玛丽·居里用“放射性”这个词来描述这一现象，并通过繁重而艰巨的劳动，用巧妙的分析方法，又发现了钍、钋、镭等物体也具有放射性。尽管有新的放射性元素陆续被发现，并且开始了实际的应用，那么这些具有放射性的物质所放出的射线具有什么性质呢？
伟大的物理学家卢瑟福在剑桥度过的最后一段日子里，主要的工作是鉴别铀所放射的各种射线究竟是什么，他在此期间进行了一系列的光辉实验。在实验中，卢瑟福注意到铀辐射也会引起空气游离，为了区别X射线和铀辐射，他想办法比较它们在穿透能力上的差别。他用铝片对铀辐射的射线进行吸收，在实验过程中，他发现了轴的辐射是复杂的，在它的辐射中至少存在两种不同类型的辐射——一种很容易吸收，另一种穿透力很强。卢瑟福从希腊文的“alphabata”的头几个字母的读法，称之为“alpha”和“bata”射线，读作“阿尔法”和“贝塔”，记作α和β射线。
继卢瑟福发现了α和β射线后，1900年人们发现铀的辐射中还有一种成分，其穿透本领比β射线还要强得多，在磁场中不受磁场作用而偏转，这说明这种射线是不带电的，这种辐射成分后来叫做γ射线。
α射线的奥秘
卢瑟福在刚刚发现α、β射线的时候，就意识到α射线是一种很重要的射线，因为它很容易被物质吸收，当证明了β射线是高速的电子流后，卢瑟福便集中精力于搞清α射线的本质的研究上。为此，他做了大量的实验，其中关键性的实验有两个，一个是电磁偏转实验，另一个是光谱实验。
卢瑟福在进行了大量的准备工作之后，决定进行一个重要的实验，只有这个实验才能验证组成α射线的α粒子，以及组成β射线的β粒子的带电性如何。
那是1903年的某一天，卢瑟福当时的实验条件非常艰苦，根本没有什么闪烁荧屏可观察射线的轨迹，更没有什么读数器之类的高级计数仪，当时卢瑟福手里有的只是一只简易的金箔验电器。然而，实验就在这样艰苦的条件下进行着，他让放射性物质铀放出的α、β射线经过一个大磁场后，最后到达金箔验电器。在实验中，卢瑟福发现，β射线在经过磁场后，径迹出现偏转，也就是说β射线能被磁场偏斜，但却没有见到α射线的径迹变化。但是，从实验的其他现象卢瑟福基本上确定了α射线是由快速运动的带正电荷的粒子组成的。那么，为什么α射线经过磁场后，它的运动径迹没有发生偏斜呢？卢瑟福仔细地分析了所有的实验结果，最后他想到其原因可能有两种：一种情况是α射线是由不带电荷的α粒子组成，因为我们很清楚地知道，只有带电粒子在磁场中才能发生偏转，既然α射线经过磁场没有发生偏转，就说明它不带电荷；另一种可能是α射线是带电荷的，而且它的动能很大，磁场的能量不足以能使它发生偏转。有了这样清晰的思路，卢瑟福便有的放矢地进行下一步的工作了。
卢瑟福让射线从放射源由下向上经过20片平行隔板到达验电器，而氢气由上向下通过平行隔板。氢气的作用非常重要，它可以抑制β射线和γ射线的游离作用，然后加磁场使射线偏转，这时α射线经过磁场后偏斜量的百分比与所加磁场的强度成正比例。为了判断α射线所带电荷的正负，在隔板上加一块多缝的金属板，遮去空隙的一部分，改变磁场的方向，总可以找到一个位置，使游离截止于更低的磁场，由此来判断α射线的电荷的极性。再在相邻隔板上加电压，又可使游离停止，这样，可以得到α粒子的速度和荷质比。从实验结果的一些证据分析看，卢瑟福已初步推断出α粒子是氦（He）原子。
1906年，卢瑟福在蒙特利尔西山西北高地买了一块土地，这地方面向山涧湖泊，风景秀丽宜人，他准备在这里建造一所住房，以便长期在麦克吉尔从事他的研究工作。但是，一个新的具有很大吸引力的聘任职务使他无法平静下来。曼彻斯特大学物理教授舒斯特因病退休，辞去了兰沃尔西物理讲座教授职务，学校决定请卢瑟福接任。1907年5月17日，卢瑟福先生告别了工作9年的蒙特利尔，于20日抵达英国，在这里开始走上他的科学新旅程。
卢瑟福在麦克吉尔大学工作的几年中，曾对α射线作了大量研究。到了曼彻斯特，他同盖革和马斯登等人愉快地合作，他们自己动手制作计数器，计数器的制作成功给他的研究带来了很大的帮助，使他的实验能够进入到定量的研究阶段。在盖革和马斯登等人的帮助下，使得对α粒子的计数，电荷的本质研究取得了突破性的成果。他们用一系列的科学实验雄辩地证实了“α粒子在失去电荷后就是一个氦原子”。
从1903年开始，卢瑟福着手研究α射线的本质，直到1908年，伟大的实验物理大师从未停止过自己的研究工作，到了曼彻斯特，他在助手们的帮助下又开始了新的重要实验——光谱实验，他要进一步地用光谱分析的方法来确定α射线的成分。
他的实验装置主要是一个α射线管，管的玻璃壁极薄，只有0.01毫米厚，管径约1.27毫米，内封装有镭射气。镭射气能够发射α粒子，α粒子可以穿过玻璃壁而射气不能。α射线管外面套一层玻璃管收集α粒子。然后让系统放置两天，等α粒子收集足够多后，用水银把α粒子通过时形成的气体压缩到放电管中。果然，从放电管得到的光谱显示氦黄线。为了排除怀疑，卢瑟福把原来放镭气的管用氦气充满，在相同的条件下观察放电管的谱线，却找不到氦黄线。这就可以肯定，薄玻璃壁是漏不出氦原子的。这样，卢瑟福用可靠的实验事实证明了α粒子是带正电的氦原子。
通过实验，卢瑟福掌握了α粒子的本质、性质和作用。α射线是一种吸收率高、穿透力弱的粒子流，在磁场或电场中不会产生偏斜，卢瑟福称它为“未被一个磁场或电场产生出可鉴别的偏斜的射线”。形成射线的α粒子是以很大速度抛射的电荷物质，具有较高的能量，确切地说，α粒子是带电的氦原子。就是这样，经过繁重而艰巨的劳动，经过长年不懈的努力，卢瑟福对α射线的性质得到了全面而准确的了解，并确认α射线在放射性中所起的作用是非常重要的。于是，他选择了α射线这一关键性的武器来揭开原子的内在奥秘。
在多年的α粒子性质的探测实验中，卢瑟福不止一次地发现α射线被物质阻滞和散射的问题。在1904年～1905年的许多实验中，让α射线通过不同厚度的空气和金箔后，α射线的速度会渐渐地慢下来，并且在磁场中的偏斜的曲率半径不是变大而是变小了，而且他还发现了α射线通过空气的谱线较宽并缺乏明显界限。所有这些新出现的问题都不能不引起卢瑟福的思考，他准备做新的实验来解决这些问题。
几年来，卢瑟福和他的助手盖革一直在不停地做着一连串的关于α射线的实验。这次，他们用多层厚为0.0031毫米的铝箔作为α射线的靶，用α射线对它进行轰击，他们边轰击，边渐渐地增加铝箔的厚度，当加到12层时，α射线的速度为无铝箔时的速度V0的0.64倍，这时，α粒子的能量相当于原有能量的41%。他们继续实验，继续研究，结果又发现，当α粒子速度降至0.64V0时，α粒子便停止了使气体离子化，也就是说，α射线的速度为原始速度的0.64倍这个速度值是α射线使气体离子化的临界速度，也是α粒子能够打入原子的最低临界速度。
接着，卢瑟福对盖革说：“换一下靶子再试试看。”盖革按着他的指示，用云母将铝箔换下来，然后让射线通过云母，从测量结果他们发现，由于散射，α射线产生了谱带宽度，α射线从它们的径迹约偏斜2°。这就是他们在实验中发现的α射线的小角散射现象。他们断定：将有一些α射线通过大得多的角度偏斜是完全可能的。这样，卢瑟福和他的助手们不但发现了用云母作靶的α射线的小角散射现象，同时也认识到α粒子在临界速度以上时能打入原子内部，并能引起α射线的散射，散射的结果将引起原子内电场的反应。所以，我们可以通过散射的情况和原子内电场的反应来探索原子的内部结构。对，解决问题的思考就是这样！卢瑟福和他的助手们信心百倍地工作着，他们断定：较大的散射角完全可能存在，问题就在于能否测量到。
再创奇迹
促使卢瑟福进入α射线大角散射实验的直接原因是盖革在实验中发现了α射线的反常散射现象。
卢瑟福到曼彻斯特大学工作后，在盖革的帮助下，为了计数α粒子，一举研制成功了用盖革的名字命名的计数器，这是盖革与卢瑟福的首次成功的合作。盖革曾于1906年在德国埃朗根大学取得哲学博士学位，他的学位论文是关于气体导电方面的。不久，到曼彻斯特后，他与卢瑟福开始了很有成效的合作研究。由于开始时采用的计数器触发管和计数室的长度不合适，云母片和计数室中气体分子使α射线产生了散射现象，影响了计数工作。这使他们认识到散射现象的消除对研制计数器十分重要。这就使盖革在计数实验还没完成时，转向α射线的散射问题。
于是，盖革又开始了α射线的散射实验。在一次实验中，他发现用α粒子轰击某原子时，出现“径迹急转弯”，这是α射线反常散射的一个征兆。他还发现散射角在很大程度上取决于靶材料的原子量，散射角与材料的厚度和材料的原子量成正比例，与α粒子速度成反比。这样，卢瑟福和盖革决定采用原子量大的金再做散射实验。
19世纪末20世纪初，科学家们用于研究放射性的仪器大都很简陋，不外乎就是验电器、平行板电容器和手摇真空泵，像限静电计被认为是最高级的电测仪器。据说，当年金箔、悬丝和火漆就是实验室必备的基本器材。在记录方面，照相术起了很大作用，但是底片记录的是长时间的统计效果，不利于分析。到了1908年，开始发明了一种闪烁镜方法，用以观测α粒子。
这个闪烁镜实际上是一小块硫化锌屏幕，α粒子打到它上面，会发出微弱的闪光，实验者用显微镜对准硫化锌屏，一个一个地记数，再移动显微镜的位置，分别读取不同位置的闪烁数，就可以对α粒子的分布作出精确统计。闪烁计数法虽然是其他方法所不能比拟的，但是闪烁法要求观测者眼睛始终盯在闪光屏上，全神贯注，一个不漏地记数。在整个实验过程中都要守在暗室中，精神十分紧张。连续工作几个小时，就会头昏眼花，劳累不堪。就是在这样艰苦的条件下，卢瑟福和他的助手们，不顾自己的劳累辛苦，用闪烁读数的方法，靠一个一个计数，作出了发现原子核的伟大贡献。
盖革研究α粒子散射的实验本来是用铝箔放在α粒子的途中起散射作用的，后来发现金箔的效果更好，就促使他系统地研究起各种不同的物质对α射线的散射作用。
有一天，卢瑟福来到他们的实验室，了解他们工作的进展情况，盖革对卢瑟福说：“先生，马斯登已经来了一段时间了，是否应该派给他一些工作？”卢瑟福回答说：“我也正在想这个问题，这样吧，叫他做一个α粒子从金属表面直接反射的实验，去找碰回头的α粒子。我可以告诉你结论，不会有碰回来的α粒子的，应该很容易用实验证实。”
马斯登在盖革的帮助下，认真地进行观测。他们的装置非常简单，锥形玻璃管内充满镭射气作为α射线源，管口用云母片封好，α粒子可以由此穿出，硫化锌闪烁屏所放的位置只有α粒子经反射金属片时才能打到屏上，否则无法直接打到。出乎他们意料的是，当他们把反射金属片放在管口1厘米处，竟立即观察到了闪烁。这使盖革和马斯登非常兴奋，他们对卢瑟福说：“我们找到了碰回来的α粒子！”
这个结果使卢瑟福非常惊讶，因为按照当时一般所接受的汤姆逊模型，正电物质分布于整个原子中，对于能量相当高的α粒子而言是相当“松软”，因此不应当产生大角度的偏转。汤姆逊本人也作过估算，在他的模型中，一次的碰撞所能产生的偏转角的数量级仅约1°～2°度。实验的结果确实是绝大多数的α粒子仅偏转了1°～2°度，那么对大于90°的偏转，甚至碰回头的（偏转180°）的α粒子，又作何解释呢？当时一般所接受的解释是有些α粒子经过多次的碰撞，始终往一个方向上偏离，最后造成了大角度的偏离，这种概率是很小的，而在实验上测得大角度偏转的α粒子也很少，所以这种解释也大体被接受。但卢瑟福对这种解释很不放心，他让盖革和马斯登继续做精确的定量实验。
1909年3月的一天，盖革和马斯登把镭的衰变物沉淀在一小板上，让它放射的α射线经金箔反射到硫化锌荧光屏上。金箔对α粒子的阻止力相当于2毫米厚的空气时，有一半的入射α粒子被反射，当采用1平方厘米的铂箔作为反射物时，统计反射α粒子的数目，α源的发射总数可根据镭的衰变物的剂量折算。经过比较，他们得出结论，入射的α粒子中，每8000个有一个要反射回来。
当盖革和马斯登把这个数字报告给他们的老师时，伟大的实验物理学家卢瑟福先生感到非常惊讶。后来他提到这件事时说：“这是我一生中最不可思议的事件。这就像您对着卷烟纸射出一颗15英寸的炮弹，却被反弹回来一样不可思议。”但这毕竟是事实，千真万确的事实！不由得卢瑟福不去思考。
多次碰撞理论可以解释小角度散射或偶尔的大角度散射。但卢瑟福做了一下估算，对于盖革他们实验中金箔的厚度而言，每进来1035000个α粒子，大约会有一个α粒子被碰回来，而实验中测得的结果却大约为8000个中就有一个被碰回来，这就是说，α粒子大角度偏转的概率远大于汤姆逊模型所预测的。按照汤姆逊模型，无论是极轻的电子，还是均匀分布的正电荷，都不足以把α粒子反弹回去。卢瑟福为此苦思了很长时间，并深深感到α粒子的大角散射实验说明汤姆逊的原子模型是错误的，真正的原子需要有一个新的模型。
伟大理论的诞生
1910年，卢瑟福开始把散射实验事实与新的原子模型联系起来。他想到了被人忽视的土星模型，如果原子中的正电物质是集中在很小的区域内，那么对α粒子而言形成较“硬”的散射中心，也许能在一次的碰撞中使α粒子产生大角度的偏转。
于是，他设想了一个原子结构模型：原子中有一个体积很小、质量很大、对正电荷有很强偏转能力的核，核外则是一个很大的空间（相对于原子核直径），核的体积很小，但却几乎集中了原子的全部质量；电子很轻、很小，带负电，它们分布在原子核外的空间里结核运动，原子仿佛是一个小太阳系。
卢瑟福的这一伟大设想震惊了世界。
原子核就这样被发现了，起初人们并没有直接看到它，也没有直接测出核的直径，量出核的质量，判定核的电荷。只是靠了α粒子的撞击，从撞击的效果得到了核存在的信息。卢瑟福并没有停留在假想和猜测的水平上，他带领助手们一次又一次地进一步实验，从测量的数据可以准确地推算出核的直径，核的质量和核的电荷。
卢瑟福就是这样，用的是最简陋的设备和直观的方法，却获得了最宝贵的来自微观世界的重要知识。他的核式结构为原子物理学和核物理学的发展奠定了最重要的基础。
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