Глубокая интуиция Резерфорда позволила ему очень рано отдать себе полный отчёт о новых необычных проблемах, связанных с существованием и устойчивостью ядер, образованных несколькими составляющими. И действительно, уже в манчестерские дни он указывал, что любой подход к этим проблемам связан с предположением о наличии между ядерными составляющими короткодействующих сил совершенно иного типа, нежели электрические силы, действующие между заряженными частицами. Поставив своей целью пролить некоторый свет на специфические ядерные силы, Резерфорд и Чэдвик уже в первые годы своей работы в Кэмбридже провели обширные исследования аномального рассеяния α-частиц при близких ядерных соударениях.

Хотя в этих исследованиях было получено много важных и новых данных, становилось всё более и более ясным, что для подлинного решения проблемы ядра недостаточно источников естественных α-частиц и что желательно иметь в своем распоряжении интенсивные пучки частиц высокой энергии, полученные искусственным ускорением ионов. Несмотря на уговоры Чэдвика приступить к конструированию подходящего ускорителя, Резерфорд в течение нескольких лет противился тому, чтобы в его лаборатории начали такое большое и дорогостоящее предприятие. Легко понять эту позицию Резерфорда; стоит лишь вспомнить тот удивительный прогресс, который был им достигнут в прежние времена с помощью очень скромного экспериментального оборудования. Вообще попытка соревноваться с естественными радиоактивными источниками в то время должна была представляться довольно безнадёжной. Однако по мере развития квантовой теории и в связи с её первыми успешными приложениями к ядерным проблемам перспективы существенно изменились.

Сам Резерфорд уже в 1920 г. в своей второй Беккерпанской лекции ясно указал на трудности объяснения испускания α-лучей из ядер на основе простых механических соображений, которые оказались очень полезными для объяснения рассеяния α-частиц ядрами; трудность состояла в том, что скорость испущенных частиц была недостаточной, чтобы позволить этим частицам при изменении направления движения на обратное снова вернуться в ядро, преодолев электрическое отталкивание. Однако вскоре выяснилась в качестве простого следствия волновой механики возможность прохождения частицы под потенциальными барьерами, и в 1928 г. Гамов, работавший в Гёттингене, а также Кондон и Гэрни в Принстоне на этой основе сумели дать не только общее объяснение α-распада, но даже подробно выяснить связь между временем жизни ядра и кинетической энергией испускания α-частиц в полном соответствии с эмпирическими закономерностями, обнаруженными в ранние манчестерские дни Гейгером и Нэттолом.

Когда летом 1928 г. Гамов присоединился к нам в Копенгагене, он был занят исследованием проникновения заряженных частиц в ядра за счёт обратного туннельного эффекта. Он начал эту работу в Гёттингене и рассказал о ней Гоутермансу и Аткинсону; последние пришли к предположению о том, что источники солнечной энергии могут быть сведены к ядерным превращениям, вызываемым ударами протонов, обладающих большими тепловыми скоростями; наличие таких протонов, согласно представлениям Эддингтона, следовало ожидать во внутренней части Солнца.

Во время короткого визита в Кембридж в октябре 1928 г. Гамов обсуждал экспериментальные перспективы, вытекающие из его теоретических работ с Кокрофтом, который, выполнив более подробные расчёты, убедился в возможности достижения заметных эффектов бомбардировкой лёгких ядер протонами с энергией значительно меньшей, чем энергия α-частиц естественных радиоактивных источников. Так как результаты казались обнадёживающими, Резерфорд принял предложение Кокрофта построить для таких экспериментов высоковольтный ускоритель. Работа по конструированию аппаратуры была начата Кокрофтом в конце 1928 г. и продолжалась в течение следующего года в сотрудничестве с Уолтоном. Первые эксперименты с ускоренными протонами они выполнили в марте 1930 г.; в этих опытах они пытались обнаружить γ-лучи, испущенные в результате взаимодействия протонов с ядрами мишени, однако безрезультатно. Затем аппаратура была перестроена в связи с переходом в другую лабораторию, и, как известно, в марте 1932 г. в результате соударений протонов с ядрами лития были получены α-частицы высоких скоростей.

Эти эксперименты положили начало новой стадии чрезвычайно важных исследований, результатом которых было быстрое нарастание от года к году как наших сведений о ядерных реакциях, так и совершенства ускорительной техники. Но уже первые опыты Кокрофта и Уолтона принесли в нескольких отношениях результаты большого значения. Они не только подтвердили во всех деталях предсказания квантовой теории относительно зависимости сечения реакции от энергии протонов, но и дали возможность увязать кинетическую энергию α-частиц с массами реагирующих частиц, которые к этому времени были известны с достаточной точностью благодаря блестяще развитой Астоном масс-спектроскопии. Такое сравнение позволило впервые дать экспериментальную проверку знаменитого соотношения Эйнштейна между энергией и массой, к которому он пришёл за много лет до этого на основании релятивистских аргументов. Едва ли нужно напоминать, насколько важным оказалось это соотношение при дальнейшем развитии ядерных исследований.

История открытия нейтрона Чэдвиком носит на себе очень сходные драматические черты. Широту взглядов Резерфорда характеризует то, что он давно предчувствовал присутствие в ядрах тяжёлой нейтральной составляющей с массой, близкой к массе протона. Как это постепенно выяснилось, эта идея могла дать объяснение открытию Астоном изотопов почти всех элементов с атомными массами, близкими к целым кратным атомного веса водорода. В связи с изучением многочисленных типов α-излучения, вызывающего ядерные расщепления, Резерфорд и Чэдвик провели тщательные поиски данных, касающихся существования частиц такого сорта. Однако вся эта история достигла наивысшей точки, когда Боте и Жолио-Кюри обнаружили проникающее излучение, возникающее при бомбардировке бериллия α-частицами. Сначала это излучение было принято за некоторое излучение γ-типа, но великолепное знакомство Чэдвика с многочисленными аспектами радиационных явлений позволило ему совершенно отчётливо понять, что экспериментальные данные несовместимы с этой точкой зрения.

Замечательными исследованиями, которые выявили большое количество новых черт явления, Чэдвик сумел доказать, что мы наблюдаем обмен импульсом и энергией с нейтральной частицей, массу которой он определил отличной от массы протона менее чем на одну тысячную. С учётом той лёгкости, с которой нейтроны (если их сравнивать с заряженными частицами) могут проходить через вещество без обмена энергией с электронами и проникать в атомные ядра, было ясно, какие широкие возможности создавало открытие Чэдвика для наблюдения новых типов ядерных превращений. Некоторые чрезвычайно интересные случаи таких новых явлений были немедленно продемонстрированы в Кавендишской лаборатории Физером, который получил в камере Вильсона снимки, на которых было видна расщепление ядра азота в процессе выбивания α-частиц нейтронной бомбардировкой. Как известно, подхваченные многими лабораториями исследования в этом направлении привели к быстрому нарастанию наших знаний о строении ядра и процессах ядерных превращений.

Весной 1932 г. на одной из наших ежегодных конференций в Копенгагенском институте, где, как всегда, мы были рады встретить многих из наших бывших сотрудников, одним из главных обсуждавшихся вопросов был, разумеется, вопрос о значении открытия нейтрона; кроме того, особо был поднят вопрос об очевидно загадочном обстоятельстве: на великолепных снимках Ли, полученных в камере Вильсона, не наблюдалось никакого взаимодействия между нейтронами и связанными в атомах электронами. В связи с этим обстоятельством указывалось, что из-за того, что сечение рассеяния в квантовой физике зависит от приведённой массы сталкивающихся частиц, сам факт не был бы даже несовместим с предположением о короткодействующем взаимодействии между нейтроном и электроном с силой, примерно равной силе, действующей между нейтроном и протоном. Несколькими днями позже я получил письмо от Резерфорда, отчасти касающееся именно этого вопроса. Я не могу не привести это письмо целиком.