работа была неотъемлемой частью открытия радиоактивного распада Резерфорда и Содди[40].

Для большинства ученых Нобелевская премия стала бы пиком их карьеры, но для Резерфорда это казалось только первым шагом. Он все еще не ответил на свой первый вопрос: какова структура атома? Его воображение, богатое идеями, и умение их воплощать простыми, но действенными экспериментами сделали ему имя. В 1907 году Резерфорд вернулся в Великобританию, где возглавил физический факультет Манчестерского университета. То, что он тогда обнаружил, потребовало бы еще большего воображения физиков и химиков, а само его открытие строилось на одном из самых простых, но самых известных исследований в области физики: эксперименте с золотой фольгой.

Несмотря на многочисленные достижения Резерфорда, эксперименты, которые он проводил до 1908 года, были очень примитивными. Он сам лучше всего описал свой подход: «У нас нет денег, поэтому придется думать». Студенты и сотрудники исследовательской группы Резерфорда были известны тем, что в своих экспериментах использовали жестяные банки, табачные коробки, сургуч и невероятное усердие. В таких простых, но хитрых методах познать природу таилось особое удовольствие. Один из студентов Резерфорда, австралийский физик Марк Олифант, позже напишет: «Он был полон идей, но это всегда были простые идеи. Ему нравилось словами описывать происходящее»[41]. Это же касалось и его взгляда на атом.

Резерфорд описал свое представление об атоме на рубеже ХХ века в следующих словах: «довольно твердый парень, красного или серого цвета, судя по вкусу». Легко представить, что крошечные атомы, из которых состоит наша пища, наши тела и наша планета, похожи на маленькие бильярдные шары, – картина, которой нас часто учат в школе[42]. В 1908 году уже прошло 10 лет с тех пор, как Томсон открыл электрон, но физики все еще не имели четкого представления о внутренней структуре атома. Однако Резерфорд начал догадываться, что состав атома и радиоактивность тесно связаны.

Точка зрения Томсона и многих других ученых заключалась в том, что атом представляет собой сферу с положительным зарядом, в которую – как изюм в пудинг – встроены отрицательно заряженные электроны. Эта идея получила название «модель сливового пудинга». Было несколько других идей, таких как «сатурнианская модель», выдвинутая японским физиком Хантаро Нагаока, – о «центральной притягивающей массе, окруженной кольцами вращающихся электронов», но не было никаких доказательств того, что эта модель хоть в какой-то степени точна[43]. Резерфорд очень высоко ценил Томсона, но начинал сомневаться в своем старом наставнике.

Влияние Резерфорда росло, как и его обязанности. Теперь он руководил целым отделом в Манчестере, расположенным во впечатляющем здании из красного кирпича со специально построенными лабораториями и офисами. Одну из них Резерфорд выделил для себя. Как и во многих других лабораториях, здесь были тяжелые деревянные полы, а стены были покрыты плиткой: горчично-желтая плитка у пола, темно-красная полоса на высоте стола, затем кремовая плитка, простирающаяся до самого потолка. Место казалось отчасти суровым, но было в высшей степени практичным. Здесь Резерфорд мог приступить к изучению вопроса о том, как на самом деле выглядит атом внутри. Если быть точным, могли приступить его сотрудники и ученики.

Как директор лаборатории, Резерфорд был слишком занят, чтобы проводить большинство экспериментов собственноручно, даже если он сам того хотел. Его задачей было собрать команду людей, которые вместе будут работать над достижением поставленной цели, а он будет заходить, проверять результаты, давать предложения и поддерживать мотивацию. Во время одного из таких лабораторных обходов Резерфорд познакомился с Эрнестом «Эрни» Марсденом, двадцатилетним студентом-старшекурсником из Ланкашира, сгустком энергии и энтузиазма. Резерфорд возвышался над невысоким Марсденом, как и над всеми остальными. Сын ткача, Марсден вырос, обожая музыку и литературу, а также естественные науки, и, под влиянием учителей в средней школе, решил изучать физику. Он был склонен к заразительному смеху и, по словам его коллег, с ним всегда было приятно находиться[44]. Марсдену был нужен исследовательский проект для магистерской диссертации, и Резерфорд подкинул ему идею.

Еще в Канаде Резерфорд заметил, что, когда он пропускал альфа-частицы через тонкий кусок металла, они образовывали нечеткое изображение на фотопластинке. Если убрать металлический лист, изображение на фотографии получалось четким. Альфа-частицы, казалось, рассеивались, будто отраженные атомами металла, но он не знал почему. Столь крошечный эффект многие, может, и не заметили бы. Но Резерфорд предложил Марсдену провести дополнительные эксперименты и лучше проверить этот эффект.

Резерфорд поручил ему работать под руководством Ханса Гейгера, физика немецкого происхождения, который был на шесть лет старше Марсдена. Гейгер родился в Нойштадте, в Рейнланд-Пфальце, прекрасном винодельческом районе. Он был очарован миром природы и получал удовольствие и гордость от проведения экспериментов. Он недавно защитил докторскую диссертацию и переехал в Манчестер, когда туда приехал Резерфорд. Позже он стал широко известен благодаря изобретению счетчика, названного его именем – счетчик Гейгера. Резерфорд предложил двум молодым людям свою личную лабораторию для экспериментов.

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