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1909年，卢瑟福及其助手盖革和马斯登进行了著名的α粒子轰击金箔实验。实验装置包括放射源发射α粒子，通过狭缝形成细束，轰击极薄的金箔，周围放置荧光屏观察散射现象。这个实验彻底改变了人们对原子结构的认识。
实验观察到了三种令人惊讶的现象。绝大多数α粒子几乎没有发生偏转，径直穿过了金箔，这占了99%以上。少数α粒子发生了较大角度的偏转。最令人震惊的是，极少数α粒子，大约八千分之一，甚至被弹回，偏转角度大于90度。这些现象完全出乎意料。
根据汤姆孙的"葡萄干布丁"模型，正电荷均匀分布在原子中，α粒子应该只发生小角度偏转。但实际观察到的结果完全不同：大多数粒子直接穿过，少数发生大角度偏转，极少数甚至被弹回。这些现象与汤姆孙模型的预期完全不符，说明该模型是错误的。
基于实验结果，卢瑟福提出了原子的核式模型。在这个模型中，原子中心有一个体积极小但质量极大的原子核，带正电，集中了原子的几乎全部质量。电子在核外的空间中运动，原子内部大部分是空的。这个模型完美解释了实验现象：大多数α粒子穿过空旷区域，少数接近原子核时被偏转，极少数正面撞击原子核被反弹。
卢瑟福的α粒子散射实验具有划时代的历史意义。它不仅推翻了汤姆孙的"葡萄干布丁"模型，更重要的是建立了原子核式结构模型，发现了原子核的存在。这个实验为后续的原子物理学发展奠定了坚实基础，开启了核物理学的新时代，深刻影响了20世纪物理学的发展进程。