Томсон на основе своих исследований в 1897 году открыл электрон. В его статье, напечатанной в октябрьском номере физического журнала «Философикл мэгэзин» за 1897 год, впервые в науке утверждается, что электричество — это движение электронов — частиц, несущих отрицательный заряд.
Так на глазах молодого Резерфорда свершилась первая революция в представлениях о веществе и электричестве.
Электроны, как думал Томсон, вкраплены в сверхминиатюрную сферу диаметром 10–8 сантиметров, в которой равномерно распределены положительные заряды. Вместе с отрицательно заряженными электронами сфера электрически нейтральна. Это и есть атом. Томсон создал первую электронную модель атома, проложив путь к дальнейшим попыткам изучить его строение.
Долгие годы в Кевендишской лаборатории, по выражению посещавшего ее известного русского физика А.Ф. Иоффе, царила атмосфера «электронной модели Томсона». В то время, разумеется, Резерфорд даже не мечтал, что сможет создать более совершенную модель, основанную на новых представлениях. Они начали развиваться после открытия профессором Политехнической школы в Париже Анри Беккерелем загадочного излучения урана — открытия, впоследствии, как известно, признанного великим. Однако в Кевендишской лаборатории сообщение об этом событии сразу же произвело сенсацию. Резерфорд решил тотчас заняться изучением беккерелиевых лучей. Тогда еще Мари и Пьер Кюри не произнесли слова «радиоактивность».
Профессор Анри Беккерель, приступая к своим опытам, в результате которых он открыл радиоактивное излучение урана, ставил перед собой скромную задачу: выяснить, не связаны ли рентгеновские лучи с люминесценцией Стекла рентгеновских трубок.
Резерфорд начал исследования рентгеновских лучей с проверки своего предположения о связи между рентгеновскими и беккерелиевыми лучами. Эта мысль пришла в голову Резерфорду по очень простой причине: и те и другие «лучи» производили ионизацию воздуха.
Целый год работы показал, что сходства между рентгеновскими и беккерелиевыми лучами не существует. Резерфорд опроверг предположение Беккереля о том, что «урановое излучение» обнаруживает свойства света: на самом деле оно не подчинялось законам световой оптики.
Но наиболее важным результатом Резерфорда было открытие альфа-частиц в составе излучения, испускаемого ураном. Резерфорд поместил урановый источник в сильное магнитное поле и разделил излучение на три различных его вида. Иными словами, он открыл тогда состав радиоактивности: альфа- и бета-частицы и гамма-излучение — то, что сегодня знает каждый школьник.
Получив альфа-частицы, Резерфорд тотчас же сделал гениальное заключение, что именно они представляют собой мощный инструмент для проникновения в глубь атома. Как подтвердилось позднее, это было абсолютно правильно. В последующих работах Резерфорд широко использовал альфа-частицы в качестве снарядов, проникающих в сердце атома — атомное ядро.
Открытие альфа-частиц триумфально завершает трехлетний период работы Резерфорда в Кевендишской лаборатории под руководством Джозефа Томсона.
Выполненные в это время молодым ученым экспериментальные исследования радиоактивности урана и тория принесли ему довольно широкую известность в научных кругах Европы и Америки. В 1898 году он получил приглашение занять должность профессора Мак-Гиллского университета в Монреале — тогда лучшем высшем учебном заведении Канады.
В рекомендации, отправленной Дж. Томсоном по почте в Монреаль, было сказано: «У меня никогда не было молодого ученого с таким энтузиазмом и способностями к оригинальным исследованиям, как г-н Резерфорд, и я уверен, что, если он будет избран, он создаст выдающуюся школу физики в Монреале... Я считал бы счастливым то учреждение, которое закрепило бы за собой Резерфорда в качестве профессора физики».
Резерфорду исполнилось всего 26 лет. И хотя успехи его были очень значительны, все же вызывают уважение проницательность и ясновидение Джозефа Томсона, который в самом начале деятельности Резерфорда сумел предугадать его будущую роль в науке.
Летом 1898 года ректор Мак-Гиллского университета Петерсон специально переплыл океан и явился в Кембридж, чтобы познакомиться с кандидатом в профессора и договориться о деталях.
Итак, Резерфорд отправился из Англии в Канаду. Он не знал, что в то время, как его пароход пересекал Атлантику, в Париже, где он никогда еще не был, Мари Кюри вместе с Пьером Кюри завершили исключительно важные работы по выделению из руд новых открытых ими элементов: полония и радия. Эти элементы обладали радиоактивностью, несравненно более сильной, чем уран и торий[2].
В Канаде Резерфорд работал около 10 лет, и этот период оказался очень плодотворным. Молодой ученый выполнил много оригинальных исследований по радиоактивности и создал ее теоретические основы. Как бы в подтверждение слов Томсона Резерфорд действительно в эти годы заложил фундамент своей будущей школы физиков. Здесь он проявил себя талантливым научным руководителем.
В Монреальском университете Резерфорд занял должность «макдональдовского профессора» — руководителя кафедры имени Макдональда (названной так в честь ее учредителя — шотландского промышленника). Особенность работы на кафедре состояла в том, что профессор мог основное время тратить на исследования и отводить лишь немного часов на чтение лекций студентам.
Приехав в Канаду, Резерфорд сразу же приступил к исследованиям радиоактивности, начатым в Англии. Интуитивно он был убежден в их исключительной важности.
Опыты заинтересовали преподавателя электротехники профессора Б.Р. Оуэнса, который был старше Резерфорда на два года. У Резерфорда появился первый ученик и сотрудник. Вместе они приступили к изучению ториевого излучения. Эти работы вошли в фундамент теории радиоактивного распада, созданной Резерфордом и опубликованной им впервые через пять лет.
Резерфорд открыл эманацию тория и доказал, что этот радиоактивный газ, выделяющийся из тория, представляет собой химический элемент, отличающийся от самого тория. Позднее он определил атомный вес эманации и показал, что она представляет собой благородный газ нулевой группы периодической системы Менделеева. Статья Резерфорда об эманации тория была напечатана в Англии в феврале 1900 года. В том же году он уехал в отпуск в Новую Зеландию.
Осенью Резерфорд возвращается в Монреаль вместе с молодой женой. Он находит в своей лаборатории нового профессора химии Фредерика Содди, приехавшего из Оксфорда. К тому времени его первый сотрудник Оуэнс уезжает в Кембридж. Резерфорд вместе с Содди изучает химические свойства элементов, получаемых при радиоактивном распаде тория и урана.
Резерфорд и Содди первые объясняют радиоактивный распад как самопроизвольный переход одних элементов в другие. Это открытие знаменует начало новой главы в физике. Другой канадский ученик Резерфорда впоследствии известный радиохимик, Нобелевский лауреат профессор Отто Ган назовет свои мемуары «От радиоактивного тория до расщепляющегося урана». Этим он подчеркнет, что канадские опыты Резерфорда послужили началом большого этапа науки, включающего в себя ядерную физику и завершившегося расщеплением урана.
Итак, работы с торием позволили Резерфорду и Содди первыми объяснить механизм радиоактивного распада.
Радиоактивный процесс нерегулируемый, ничто не может влиять на его ход. Содди писал в начале века: «...все могучие средства современной лаборатории — крайние пределы тепла, холода, давлений, энергичные химические реактивы, действие могучих взрывчатых веществ и самые сильные электрические разряды — не оказывают влияния на радиоактивность радия или на скорость его распада даже в самой ничтожной степени. Он черпает свои запасы энергии из неизвестного до наших дней источника и подчиняется еще не открытым законам. Есть что-то возвышенное в его отчужденности от окружающей среды и в его индифферентности к ней. Он как будто ведет свою родословную от миров, лежащих вне нас, питаемый тем же неугасимым огнем, движимый тем же лежащим вне нашего контроля механизмом, который поддерживает свет солнца в небесах в бесконечные периоды».
