Члены группы Резерфорда уже изучали, как электроны рассеиваются, проходя через металлы. Они обнаружили, что электроны подвергаются серии столкновений с атомами металла, при этом несколько электронов отражаются обратно. Теперь вопрос заключался в том, как будут вести себя альфа-частицы в подобном эксперименте. Альфа-частицы (или ядра гелия, как мы теперь знаем) практически в 7000 раз тяжелее электронов, и это означает, что для смены их курса потребуется очень большая сила. Интуитивно понятно, что они должны проходить прямо сквозь тонкий кусок металла. Тем не менее тот факт, что альфа-частицы формируют нечеткое изображение на пластинке, проходя через металлический лист, показался Резерфорду довольно интересным. Вопрос был ясен: если направить альфа-частицы одну за одной на металл, как толщина металла повлияет на рассеивание и отражение частиц?
Помощь в постановке этого эксперимента стала бы для Марсдена хорошей практикой, а сам эксперимент был довольно типичен для лаборатории Резерфорда. Эксперименты такого рода включали в себя пристальное – час за часом – вглядывание в окуляр микроскопа и подсчет маленьких вспышек света от альфа-частиц. Для такой работы нужно немало времени и выдержки, потому Гейгер и Марсден без промедления принялись за дело.
В эксперименте использовалась разновидность вакуумной трубки. Вместо электронно-лучевой трубки, испускающей электроны, Гейгер и Марсден намеревались использовать альфа-частицы. В один конец трубки был помещен сильный радиоактивный альфа-источник, изготовленный из радия, а другой конец был запечатан слоем слюды, тонкого материала, через который могли проходить альфа-частицы. Трубка располагалась под углом 45 градусов по направлению к толстому куску металла и экрану, покрытому сульфидом цинка, который испускал вспышку света всякий раз, когда в него попадала альфа-частица. Между альфа-излучающей трубкой и экраном был предусмотрительно расположен кусок свинца, чтобы предотвратить попадание случайных альфа-частиц непосредственно в детектор и последующее искажение результатов. Установка была разработана таким образом, чтобы улавливались только те альфа-частицы, которые действительно отражаются от металла. Затем Гейгер и Марсден принялись следить за вспышками на экране.
Сначала они пронаблюдали за тем, что происходит при попадании альфа-частицы на поверхность толстого куска металла. Так же, как и в случае с электронами, несколько альфа-частиц отразились. В случае с толстыми листами металла альфа-частицы вели себя примерно так же, как электроны. Ожидалось, что отклонение альфа-частиц от каждого отдельного атома будет небольшим. Толстый лист металла содержит много слоев атомов, и, хотя альфа-частицы в 7000 раз тяжелее электронов, результат подтвердил предположение о том, что даже такие тяжелые «снаряды» иногда поворачивают вспять после достаточного количества столкновений. Играет ли роль тип металла? Как оказалось, да. Металлы, изготовленные из более тяжелых элементов, таких как золото, отражают больше альфа-частиц, чем легкие, такие как алюминий.
Затем Гейгер и Марсден проверили, имеет ли значение толщина металла. Они рассудили, что если они сделают металлическую фольгу достаточно тонкой, то все альфа-частицы будут проходить прямо сквозь нее, при этом немного рассеиваясь, как ранее отмечал Резерфорд. Для этой части эксперимента они выбрали золото, потому что из него можно было легко сделать тонкую фольгу. Постепенно меняя толщину золотой фольги, ученые проверяли, сколько вспышек промелькнет на экране датчика. По мере уменьшения толщины фольги альфа-частицы, как и ожидалось, начали проходить прямо сквозь нее. Но потом исследователи заметили кое-что странное: какой бы тонкой ни была золотая фольга, экран с сульфидом цинка все равно иногда загорался. Примерно одна из каждых 8000 альфа-частиц отскакивала от фольги. И причиной тому был не простой толчок, который слегка изменил направление альфа-частиц, а сильное воздействие, которое полностью отразило альфа-частицу. Но как такое возможно? Внутри атомов золота не было ничего, что могло бы вызвать этот эффект. Казалось, это противоречит всем известным законам физики. Как тяжелая альфа-частица может быть отклонена крошечными электронами или разницей в положительном заряде атома?