Своими опытами в «берлоге» Резерфорд показал, в частности, что электромагнитные волны при возбуждении их переменным током высокой частоты вызывают быстрое размагничивание стальной проволоки. Он разработал методы обнаружения электромагнитных волн с помощью пучка намагниченных до насыщения иголок.
Резерфорд собственноручно изготовил приборы для измерения размагничивания стальных иголок, происходящего менее чем в одну стотысячную долю секунды.
Венцом творения был построенный Резерфордом приемник электромагнитных волн, который позднее он взял с собой в Кембридж. Это был далекий предок радиоприемника. По пути в Англию Резерфорд сделал краткую остановку в Австралии. Он встретился с известным ученым Вильямом Бреггом-отцом и продемонстрировал ему свой приемник. Брегг высоко оценил прибор.
После того как экспериментальная работа, выполненная Резерфордом в «пещере», была напечатана в студенческом журнале, автор ее стал знаменитостью не только в среде студентов и преподавателей университета, но и вообще в Крайстчерче. Как и все жители маленьких городов, крайстчерчтцы охотно соглашались иметь своих знаменитостей и даже искали их.
Резерфорд с отличием окончил университет, и тут перед ним возникла серьезная проблема: что делать дальше?
Он становится преподавателем средней школы (хайскул) в Крайстчерче.
Знакомя класс с новыми открытиями по магнетизму и электричеству, Резерфорд так увлекался, что подчас забывал о недостаточной подготовке своих учеников и учениц. В классе возникал страшный шум и беспорядок. Молодой учитель чаще всего не замечал этого. Если же он все-таки обращал внимание на происходящее вокруг, он выставлял из класса самого шумного ученика и требовал, чтобы тот принес журнал, куда он впишет ему единицу за поведение. Но ученики быстро научились злоупотреблять добротой и забывчивостью Резерфорда. Они поняли, что как только учитель вновь обратится к теме урока, можно будет свободно вернуться в класс без журнала и избежать наказания.
Трудно сказать, как сложилась бы дальнейшая жизнь Резерфорда, если бы не одно событие, происшедшее через несколько месяцев после начала его учительской карьеры. Как-то он копал картошку в огороде. Это занятие было прервано приходом матери, сообщившей радостную весть: ему присуждена «стипендия 1851 года».
Услышав о стипендии, Резерфорд бросил лопату и, рассмеявшись, воскликнул: «Это последняя картошка, которую я выкапываю».
Стипендия присуждалась самым талантливым выпускникам провинциальных английских университетов. Она была учреждена в 1851 году из части доходов Всемирной выставки в Лондоне, размещенной в построенном для нее Хрустальном дворце (впоследствии уничтоженном пожаром). Стипендия представляла значительную по тем временам сумму и позволяла стипендиату проходить стажировку в течение 2...3 лет в одном или нескольких лучших университетах метрополии.
Резерфорд избрал для своей стажировки Кембриджский университет. Теперь ему предстояло проделать такой же далекий путь, который когда-то проделал его дед Джордж. Но, к счастью, парусники отжили свой век, и Резерфорд теперь мог воспользоваться для своего путешествия большим океанским пароходом.
Он в первый раз покидал острова, где оставались родители и невеста — студентка Кентерберийского университета Мери Ньютон.
Провинциальный юноша с университетским дипломом приехал по железной дороге из Лондона в Кембридж и отыскал здание Кевендишской лаборатории на улице Фрискул лэйн (где она находится и ныне). Резерфорд не был уверен, что директор этой знаменитой лаборатории прославленный ученый Джозеф Томсон согласится взять его к себе. Однако опасения рассеяла первая же встреча с Томсоном, который поразил молодого человека своей сердечностью, учтивостью и ученостью. Томсон очень внимательно выслушал Резерфорда и сказал, что ему нужны молодые сотрудники, особенно теперь, когда он приступает к серии новых экспериментов. Он планировал «мощное наступление» на малоисследованные проблемы. К ним Томсон относил, например, электрические разряды в газах, люминесценцию, рентгеновские лучи, только что открытые Конрадом Вильгельмом Рентгеном в провинциальном Вюрцбургском университете.
Почти одновременно с Резерфордом Томсон принял в Кевендишскую лабораторию Джона Мак-Леннана, Таунсенда и Поля Ланжевена — будущего учителя Фредерика Жолио-Кюри.
Забегая вперед, скажем, что Резерфорд долго работал в одной комнате с Ланжевеном и они стали друзьями на всю жизнь.
Резерфорд рассказал Томсону о своих опытах с электромагнитными волнами, проведенных в Кентерберийском университете, и о построенном им приемнике, который он показывал Брэггу. Томсон предложил продолжить эти опыты. Резерфорд тотчас же приступил к экспериментам по распространению электромагнитных волн, используя свой приемник и другую изготовленную им самим, как это было принято в Кевендишской лаборатории, аппаратуру. В 1896 году Резерфорду удалось установить радиосвязь на расстоянии около 3 километров. Это было невиданно. Томсон остался вполне доволен своим практикантом.
Впоследствии Томсон говорил, что профессор Резерфорд никогда не получал похвалы, которую он мог бы получить за свои работы по радиотелеграфии, выполненные в 1895 году в Кембридже. «Его успехи были так велики, что я с тех пор почувствовал себя виновным в том, что убедил его посвятить себя новой области физики, возникшей после открытия рентгеновских лучей».
Эти исследования, однако, были как бы переходным этапом. За ними последовало исследование явления радиоактивности вскоре после того, как оно было открыто Пьером и Мари Кюри в Париже.
Резерфорд по собственной воле оставил исследования электромагнитных волн — практическая сторона радиосвязи, в частности дальнейшее усовершенствование приемников и передатчиков, представлялась ему менее интересной. Уже в те годы он был твердо убежден, что посвятит себя чисто научным проблемам.
К тому времени Томсон особенно интенсивно продолжал свои многолетние исследования свойств катодных лучей, используя в своих опытах откачанные катодные трубки. Его сразу заинтересовали сообщения Рентгена об открытии загадочных х-лучей. По мнению Томсона, они имели непосредственное отношение к его работам. Поэтому он и предложил Резерфорду приступить к изучению этих лучей. Резерфорд начал с изучения ионизации воздуха рентгеновскими лучами.
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».