Справедливо говорят, что правильно поставленный вопрос содержит в себе половину ответа. Сказанное целиком и полностью относится и к новому вопросу, на который теперь ищет ответа Э. Резерфорд.
Почему, пытается понять он, бета-распад, при котором вылетает электрон, необратимо меняет физические и химические свойства радиоактивного атома, а отрыв точно такого же электрона от стабильного атома, например при электрическом разряде в газе, ничего не меняет? Стабильный атом лишь на короткое время превращается в положительно заряженный ион.
Сам того не ведая, Э. Резерфорд уже четко отделил атомное явление — ионизацию (потерю электрона с внешней электронной оболочки) — от ядерного — испускания электрона при радиоактивном превращении атомного ядра. Теперь исследователю предстояло сделать только один шаг. Но куда? Э. Резерфорд должен был поставить такой эксперимент, который дал бы однозначный ответ на все мучившие его вопросы. Но как догадаться, какой именно эксперимент?
Никакой теории практически не существовало, ничто не освещало ему дорогу. Модель Дж. Дж. Томсона, в которой атомы воображались в виде положительно заряженной сферы, заполненной электронами, вела, как чувствовал Э. Резерфорд, в какой-то тупик. Его мысль металась в замкнутом пространстве, не находя для себя никакой опоры.
А результаты экспериментов не давали покоя. Он должен, он обязан был выяснить, откуда в момент радиоактивного распада появляются альфа-частицы, в восемь с лишним тысяч раз более тяжелые, чем электроны?
Увлеченный разрешением всех этих проблем, Э. Резерфорд, уже известный мировой научной общественности сорокалетний профессор, получает в свое полное распоряжение большую физическую лабораторию в Манчестерском университете. Здесь сразу же возникла атмосфера творческого подъема.
Казалось, сам воздух в лаборатории был насыщен ожиданием чего-то необычного.
Это и понятно. Интуиция не изменила Э. Резерфорду. Шеф лаборатории впервые поставил эксперименты, цель которых состояла не в изучении собственно радиоактивных веществ, а в наблюдении взаимодействия альфа-лучей с тонкими пленками разных веществ.
Дни владычества атомной модели Дж. Дж. Томсона были сочтены.
Неожиданный и интересный поворот в работе заинтересовал всех сотрудников лаборатории. «Молодые люди быстро почувствовали, что пошли навстречу славным дням», — вспоминал потом один из ближайших помощников Э. Резерфорда, Г. Гейгер.
И они наступили, эти славные дни, но не раньше того, как за них сполна было заплачено тяжким трудом. Более миллиона вспышек от альфа-частиц подсчитали коллеги Э. Резерфорда собственными глазами на фосфоресцирующем экране. И результат воздал за все сторицей.
Почти все альфа-частицы беспрепятственно пролетали через тонкие пленки, едва заметно отклоняясь в ту или иную сторону от центра экрана. Так и должно было быть, если атом в самом деле начинен только легкими электронами. Но удивительным было поведение незначительной части этих микроснарядов. Иногда вспышки от них появлялись и на краю экрана. Так сильно отклонить альфа-частицы могло только тело с большим зарядом и массой, значительно большей, чем у электрона. Что же встречали на пути те редкие альфа-частицы, которые отскакивали от пленки почти назад?
Сразу можно было сказать, что в атомах есть что-то и посущественнее электронов. Э. Резерфорд уже не сомневался в том, что положительный электрический заряд и масса атома сконцентрированы в его середине, в ядре.
Представление о размерах ядра можно было получить из тех же экспериментов с альфа-частицами. По вероятности столкновения их с тяжелыми сердцевинами атомов физики нашли ту область, которую занимало атомное ядро. Размеры ее оказались порядка 10–13 сантиметра, тогда как размеры всего атома 10–8 сантиметра.
Огромный зал университетской аудитории и крошечная булавочная головка в центре — в такой пропорции находились размеры атома и атомного ядра.
Итак, ядерная физика родилась.
Открытие ядра сразу заменило старую, атомную, вывеску радиоактивности на новую — ядерную. И на все вопросы, связанные с радиоактивным излучением, должна была ответить ядерная физика.
— А что еще тут было отвечать? Ведь сразу стало понятно, что неустойчивые (нестабильные) ядра распадаются, а устойчивые (стабильные) остаются сами собой. Вот и все.
— Нет, далеко не все. Открытие атомного ядра вовсе не дало ответа на все вопросы, связанные с радиоактивностью.
— Что же именно осталось непонятным?
— Совершенно таинственной казалась природа источника энергии в этом процессе. Что заставляло альфа- и бета-частицы вылетать из ядра с огромной скоростью?