Резерфорду исполнилось всего 26 лет. И хотя успехи его были очень значительны, все же вызывают уважение проницательность и ясновидение Джозефа Томсона, который в самом начале деятельности Резерфорда сумел предугадать его будущую роль в науке.
Летом 1898 года ректор Мак-Гиллского университета Петерсон специально переплыл океан и явился в Кембридж, чтобы познакомиться с кандидатом в профессора и договориться о деталях.
Итак, Резерфорд отправился из Англии в Канаду. Он не знал, что в то время, как его пароход пересекал Атлантику, в Париже, где он никогда еще не был, Мари Кюри вместе с Пьером Кюри завершили исключительно важные работы по выделению из руд новых открытых ими элементов: полония и радия. Эти элементы обладали радиоактивностью, несравненно более сильной, чем уран и торий[2].
В Канаде Резерфорд работал около 10 лет, и этот период оказался очень плодотворным. Молодой ученый выполнил много оригинальных исследований по радиоактивности и создал ее теоретические основы. Как бы в подтверждение слов Томсона Резерфорд действительно в эти годы заложил фундамент своей будущей школы физиков. Здесь он проявил себя талантливым научным руководителем.
В Монреальском университете Резерфорд занял должность «макдональдовского профессора» — руководителя кафедры имени Макдональда (названной так в честь ее учредителя — шотландского промышленника). Особенность работы на кафедре состояла в том, что профессор мог основное время тратить на исследования и отводить лишь немного часов на чтение лекций студентам.
Приехав в Канаду, Резерфорд сразу же приступил к исследованиям радиоактивности, начатым в Англии. Интуитивно он был убежден в их исключительной важности.
Опыты заинтересовали преподавателя электротехники профессора Б.Р. Оуэнса, который был старше Резерфорда на два года. У Резерфорда появился первый ученик и сотрудник. Вместе они приступили к изучению ториевого излучения. Эти работы вошли в фундамент теории радиоактивного распада, созданной Резерфордом и опубликованной им впервые через пять лет.
Резерфорд открыл эманацию тория и доказал, что этот радиоактивный газ, выделяющийся из тория, представляет собой химический элемент, отличающийся от самого тория. Позднее он определил атомный вес эманации и показал, что она представляет собой благородный газ нулевой группы периодической системы Менделеева. Статья Резерфорда об эманации тория была напечатана в Англии в феврале 1900 года. В том же году он уехал в отпуск в Новую Зеландию.
Осенью Резерфорд возвращается в Монреаль вместе с молодой женой. Он находит в своей лаборатории нового профессора химии Фредерика Содди, приехавшего из Оксфорда. К тому времени его первый сотрудник Оуэнс уезжает в Кембридж. Резерфорд вместе с Содди изучает химические свойства элементов, получаемых при радиоактивном распаде тория и урана.
Резерфорд и Содди первые объясняют радиоактивный распад как самопроизвольный переход одних элементов в другие. Это открытие знаменует начало новой главы в физике. Другой канадский ученик Резерфорда впоследствии известный радиохимик, Нобелевский лауреат профессор Отто Ган назовет свои мемуары «От радиоактивного тория до расщепляющегося урана». Этим он подчеркнет, что канадские опыты Резерфорда послужили началом большого этапа науки, включающего в себя ядерную физику и завершившегося расщеплением урана.
Итак, работы с торием позволили Резерфорду и Содди первыми объяснить механизм радиоактивного распада.
Радиоактивный процесс нерегулируемый, ничто не может влиять на его ход. Содди писал в начале века: «...все могучие средства современной лаборатории — крайние пределы тепла, холода, давлений, энергичные химические реактивы, действие могучих взрывчатых веществ и самые сильные электрические разряды — не оказывают влияния на радиоактивность радия или на скорость его распада даже в самой ничтожной степени. Он черпает свои запасы энергии из неизвестного до наших дней источника и подчиняется еще не открытым законам. Есть что-то возвышенное в его отчужденности от окружающей среды и в его индифферентности к ней. Он как будто ведет свою родословную от миров, лежащих вне нас, питаемый тем же неугасимым огнем, движимый тем же лежащим вне нашего контроля механизмом, который поддерживает свет солнца в небесах в бесконечные периоды».
После эманации тория Резерфорд открыл эманацию радия. Ученому было ясно, что радий, испуская альфа-частицы, превращается в новое активное вещество, подобное эманации тория. Открытие эманации радия — радона, который Резерфорд с помощью компрессора «ожижил», доказав этим, что радон — газ, окончательно подтверждало его теорию радиоактивного распада.
Эта теория произвела революцию в физике. Не так-то просто было заставить ученых в нее поверить. Даже великий физик лорд Кельвин до своей смерти так и не мог согласиться с тем, что радиоактивный процесс есть распад атомов, из которых состоят элементы, Кельвин был непоколебимым приверженцем взглядов древнегреческих философов-атомистов о неделимости атомов.
В начале 1903 года Резерфорд опытным путем пытается определить химический состав альфа-частиц. Идея заключалась в том, чтобы сравнить массу альфа-частицы с массами атомов известных элементов. Опыт представлял для своего времени исключительный образец экспериментального искусства и изобретательности и прямо вел Резерфорда к цели. Он позволил Резерфорду первому идентифицировать альфа-частицы с атомами гелия. Однако опыт пришлось дополнить некоторыми расчетами. Спустя несколько лет после того, как Резерфорд покинул Канаду, обосновавшись в Манчестерском университете, он произвел другой опыт, в котором химический состав определялся спектроскопически. Исследователь получил характерные линии гелия. Идентификация была абсолютно точной.
В 1903 году в возрасте 32 лет Резерфорд был избран членом Лондонского Королевского общества (английская Академия наук).
В связи с избранием в Королевское общество Резерфорд выехал в Европу. Кроме Англии, он побывал также в Париже, где встретился с Мари и Пьером Кюри на обеде, устроенном его другом Полем Ланжевеном. Резерфорд вспоминал: «После очень оживленной беседы мы сидели в саду, было около 11 часов вечера, когда профессор Кюри вынес трубку, часть которой была покрыта сернистым цинком. В трубке находился концентрированный раствор радия. В темноте ночи свечение было поразительно ярким, и это был замечательный финал незабываемого дня».
Может быть, маленькая светящаяся трубка в обожженных радием руках Пьера Кюри натолкнула Резерфорда на мысль тотчас же заняться изучением альфа-частиц по их свечению (сцинтилляциям) при ударе о люминесцирующий экран из сернистого цинка. Во всяком случае Резерфорд, вернувшись в Канаду, применил в своих исследованиях метод сцинтилляции. Позднее в Англии с помощью этого метода было открыто атомное ядро. Достаточно напомнить об одном этом открытии, чтобы судить о выдающемся значении сцинтилляционного метода в физике.
Резерфорд своими работами создал Мак-Гпллскому университету известность во всем мире; провинциальное учебное заведение превратилось в крупнейший в то время мировой центр изучения радиоактивности. Однако самому Резерфорду казалось, что здесь его работы продвигаются недостаточно быстро отчасти из-за того, что круг его сотрудников сравнительно узок. Ему хотелось привлечь к своим исследованиям одаренных молодых ученых, окончивших лучшие европейские университеты: Кембриджский, Геттингенский, Сорбонну и другие. В те времена Канада казалась европейцам очень далекой страной. Трудно было уговорить молодого ученого отправиться туда для многолетней работы. Резерфорда не удовлетворяло такое положение. Еще в 1901 году он писал в Кембридж Дж. Томсону:
«После пяти лет, проведенных в Кевендише, я чувствую себя несколько в стороне от науки; мне очень не хватает общения с людьми, интересующимися физикой».
В 1907 году Резерфорд с женой и шестилетней дочерью Эйлин-Мери переезжает из Канады в Англию. К этому времени он уже был не только членом Лондонского Королевского общества, но и лауреатом медали Румфорда, присуждаемой за выдающиеся научные заслуги.
В Англии Резерфорд должен был занять должность профессора кафедры физики Манчестерского университета. Его предшественник профессор Артур Шустер в связи с уходом в отставку по возрасту предложил совету университета пригласить на освобождающееся место профессора Резерфорда. Кафедра единогласно проголосовала за эту кандидатуру и направила в Монреаль официальное приглашение.
В Манчестерском университете Резерфорд немедленно принялся за работу и менее чем за три недели, что в то время можно было считать рекордом, оборудовал установку для изучения эманации.
Среди сотрудников лаборатории, принявших участие в эксперименте Резерфорда, были молодые физики: Ганс Гейгер, приехавший из Германии, новозеландец Робинсон и студент-англичанин Томас Ройдс.
Гейгер почти не занимался со студентами. Его основной обязанностью была исследовательская работа. Резерфорд предоставил Гейгеру полную возможность разрабатывать собственную идею ионизационного метода счета альфа-частиц. Счетчики Гейгера для измерения интенсивности радиоактивного излучения навсегда вписали имя этого выдающегося ученика Резерфорда в историю ядерной физики.
В Манчестерской лаборатории Резерфорд приступил к широким опытам по исследованию альфа-частиц методом подсчета их с помощью сцинтилляционного счетчика. Опыты начались в 1908 году после того, как Венская академия наук прислала 400 миллиграммов радия (через 20 лет Кембриджский университет заплатил за этот радий 3000 фунтов стерлингов). В этих утомительных и долгих опытах Резерфорду помогал Гейгер.
В том же 1908 году Резерфорду присудили Нобелевскую премию в области химии за работы по теории радиоактивности. Почему в области химии — ведь Резерфорд был физиком? Это объясняется тем, что тогда ученые еще точно не знали, к какой из этих наук причислить радиоактивность. В сенсационном открытии радиоактивности участвовали и физики и химики. Анри Беккерель, обнаруживший радиоактивность урана, был физиком. Мари Кюри была химиком, а ее муж Пьер Кюри — физиком. Они вдвоем открыли радиоактивные элементы полоний и радий, выделили их из минералов и изучали физические и химические свойства. В современной науке явление радиоактивности — объект изучения и физики и химии.