Когда немецкий физик Герхард Шмидт объявил, что торий и его соединения тоже испускают излучение, Резерфорд сравнил их с альфа- и бета-лучами. Он обнаружил, что излучение тория мощнее, и пришел к выводу, что в этом случае “присутствуют более проникающие лучи”29, позднее названные гамма-лучами30. Мария Кюри ввела термин “радиоактивность” для описания процесса излучения и назвала вещества, испускающие “беккерелевские лучи”, радиоактивными. Она считала, что поскольку радиоактивность наблюдается не только у урана, это явление должно быть связано с атомами. Уверенность в этом позволила Марии Кюри и ее мужу Пьеру открыть такие радиоактивные элементы, как радий и полоний.
В апреле 1898 года, когда в Париже вышла первая работа супругов Кюри, Резерфорд узнал, что в Университете Мак-Гилла в Монреале объявлен конкурс на замещение должности профессора физики. Хотя благодаря работам по радиоактивности он уже был признанным авторитетом, Резерфорд мало надеялся на успех, несмотря на рекомендацию Томсона: “У меня никогда не было столь преданного работе и самостоятельного ученика, как мистер Резерфорд. Я уверен, что если он получит это место, ему удастся создать в Монреале блестящую физическую школу... Считаю, что для любого университета было бы большой удачей иметь возможность предоставить мистеру Резерфорду место профессора физики”31. В конце сентября двадцатисемилетний Резерфорд приехал в Монреаль. Там он провел следующие девять лет.
Резерфорд, покидая Англию, уже знал, что “от него ожидают большого числа новых работ и создания научной школы, способной посрамить янки”32. С этой задачей он справился. Первое открытие, сделанное Резерфордом в Канаде, касалось радиоактивности тория. Ученый показал, что в течение минуты она уменьшается в два раза, затем еще в два раза за следующую минуту. Через восемь минут интенсивность радиоактивного излучения уменьшается в восемь раз относительно исходного значения33. Описывая закон уменьшения радиоактивности в зависимости от времени, Резерфорд ввел понятие периода полураспада, то есть времени, которое необходимо, чтобы интенсивность радиоактивного излучения уменьшилась вдвое. А затем последовало открытие, которое принесло ему место профессора в Манчестере и Нобелевскую премию.
В октябре 1901 года Эрнест Резерфорд и двадцатипятилетний английский химик Фредерик Содди, живший в Монреале, начали совместно исследовать радиоактивность тория. Вскоре они поняли, что торий, вероятно, превращается в другой элемент. Содди вспоминал, как он остолбенел и у него вырвалось: “Это же трансмутация”. “Ради всего святого, Содди, не называйте это трансмутацией, — воскликнул Резерфорд. — Нас распнут как алхимиков”34.
Однако скоро они оба убедились, что на самом деле радиоактивность представляет собой превращение одного элемента в другой за счет испускания излучения. Сначала их еретическую теорию восприняли очень скептически, но экспериментальные данные оказались решающими. Критикам пришлось отказаться от столь милого всем представления об устойчивости материи. Это уже была не мечта алхимиков, а научно установленный факт: все радиоактивные элементы самопроизвольно превращаются в другие элементы, а период полураспада — это время, которое требуется для того, чтобы половина атомов претерпела такое превращение.
“Молодой, энергичный, похожий на мальчишку, он напоминал кого угодно, только не ученого, — вспоминал о Резерфорде Хаим Вейцман, тогда преподаватель химии в Манчестерском университете, позднее первый президент Израиля. — Он охотно и убежденно говорил о чем угодно, иногда не имея понятия о предмете разговора. Спускаясь вниз в столовую на ланч, я слышал в коридоре... раскаты его голоса”35. Вейцман полагал, что Резерфорд, “полностью поглощенный своей наукой, открывшей новую эру в естествознании, был начисто лишен политического чутья и вообще политикой не интересовался”36. Центральное место в работе Резерфорда занимало “прощупывание” атомов с помощью α-частиц.
Но что представляют собой α-частицы? Это долго смущало Резерфорда даже после того, как он понял, что на самом деле α-лучи — положительные частицы, направление движения которых меняется в сильном магнитном поле. Он считал, что α-частица — это ион гелия, то есть атом гелия, потерявший два электрона, но поскольку доказательствами он располагал лишь косвенными, то никогда не говорил этого публично. И вот теперь, почти десять лет спустя после открытия α-лучей, он надеялся найти окончательный ответ на вопрос, что такое α-частицы. Про β-частицы уже давно стало понятно, что они суть быстро двигающиеся электроны. Летом 1908 года Резерфорд с помощью двадцатипятилетнего немца Ганса Гейгера получил подтверждение своей старой гипотезы: α-частица действительно является атомом гелия, потерявшим два электрона.
“Дьявол кроется в рассеянии”, — говорил Резерфорд, когда они с Гейгером пытались “сорвать маску” с α-частиц37. Двумя годами ранее в Монреале он уже обратил внимание на то, что некоторые α-частицы, проходя через слюдяную пластинку, несколько отклоняются от прямолинейной траектории, из-за чего на фотопластинке появляется размытое пятно. Резерфорд решил выяснить причину этого. Вскоре после приезда в Манчестер он наметил список тем, которыми следовало бы заняться. Одну из них — рассеяние α-частиц — он предложил Гейгеру.
Вместе они разработали схему простого эксперимента. Они собирались подсчитать число сцинтилляций — небольших вспышек света, вызванных α-частицами, которые, пройдя через листок тонкой золотой фольги, ударяются в бумажный экран, покрытый сульфидом цинка. Считать сцинтилляции, проводя долгие часы в полной темноте, было очень трудно. К счастью, по словам Резерфорда, “Гейгер был гениальным исполнителем и мог, не теряя самообладания, считать хоть целую ночь напролет”38. Гейгер обнаружил, что α-частицы либо проходят через фольгу и не меняют направления, либо отклоняются на один-два градуса. Этого и следовало ожидать. Удивительно было другое: Гейгер заметил, что некоторые α-частицы “отклоняются на существенно больший угол”39.
Еще до того, как Резерфорд полностью разобрался в том, что означают результаты Гейгера и имеют ли они вообще смысл, ему была присуждена Нобелевская премия по химии “за проведенные исследования в области распада элементов в химии радиоактивных веществ”. Забавная сторона этого события состоит в том, что человек, полагавший, что “наука может быть либо физикой, либо коллекционированием марок”, претерпел неожиданное превращение из физиков в химики40. После возвращения из Стокгольма Резерфорд-лауреат научился вычислять вероятности рассеяния α-частиц на разные углы. Расчеты показали, что очень мал (практически равен нулю) шанс, что α-частица, проходя через золотую фольгу, многократно рассеется: это в результате могло бы привести к большому углу отклонения.
Именно тогда, когда Резерфорд был погружен в эти вычисления, Гейгер предложил привлечь к работе подающего надежды студента Эрнеста Марсдена. “Почему бы нет? Пусть выяснит, могут ли α-частицы рассеиваться на большие углы”, — сказал Резерфорд41. И очень удивился, когда Марсден обнаружил, что это возможно. Поиск продолжался. Углы рассеяния все увеличивались, но, согласно расчетам, рассеяния на такие большие углы вообще не могло быть: зарегистрированных Марсденом вспышек света, указывающих на то, что α-частицы попадают на покрытый сульфидом цинка экран, не должно было быть видно.
