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?

Гейгер и Марсден сообщили эту новость Резерфорду. Позже он описал это так: «… самое невероятное событие, которое когда-либо случалось в моей жизни. Это было почти так же невероятно, как если бы вы запустили 38 см[45] снарядом в лист тонкой бумаги, а он бы отскочил и попал в вас». Узнав результаты, Резерфорд попытался дать все правдоподобные объяснения, которые могли бы подтвердить данные, и исключал их одно за другим. Если бы модель сливового пудинга была верна, отклонение альфа-частиц было бы небольшим, но Гейгер и Марсден наблюдали обратное. Чтобы объяснить отскакивание альфа-частиц, пришлось бы признать присутствие огромной силы в атомах золота. Было несколько вариантов: либо в эксперименте допущена ошибка и альфа-частицы могли каким-то образом поглощаться и переизлучаться атомами, либо, возможно, весь положительный заряд атома был сконцентрирован в самом центре атома.

Эксперимент был проведен в 1907–1908 годах, а его результаты опубликованы в 1909 году, но теория Резерфорда о строении атома появилась только в 1911 году. За это время Резерфорд произвел вычисления. И даже записался на курс математики, чтобы убедиться, что он все посчитал правильно. Раз за разом он понимал, что существует только одно объяснение, которое соответствует полученным данным: атомы по большей части должны состоять из пустого пространства с крошечным плотным ядром.

Если бы Резерфорд хотел опровергнуть принятую модель атома, ему пришлось бы, вне всякого сомнения, продемонстрировать, что новая модель верна. В течение следующих нескольких лет, благодаря изобретению Гейгером счетчика, Марсден и Гейгер провели еще одну серию экспериментов, в которых все встало на свои места. Только после этого Резерфорд представил миру свою новую теорию. Атом – не сливовый пудинг, усеянный отрицательно заряженными электронами: в его сердце крошечное ядро с положительным зарядом, достаточно плотное, чтобы оно могло отражать при приближении альфа-частицы. Электроны – тоже часть атомов, но они вращаются вокруг ядра на огромном расстоянии. Если бы атом был размером с собор, где электроны – его стены, ядро было бы размером с муху. А между ними не было бы вообще ничего.

Эксперименты Гейгера и Марсдена полностью изменили представление об атомах и, соответственно, о Вселенной. Атомы вовсе не были твердыми объектами, какими их считали на протяжении тысячелетий, они в основном состояли из пустого пространства. Трудно переоценить, насколько неожиданным был этот результат. Артур Эддингтон в 1928 году писал:

Когда мы сравниваем Вселенную, какой мы ее понимаем, со Вселенной, какой мы ее раньше представляли, самое поразительное изменение – не переосмысление пространства и времени Эйнштейном, а превращение всего того, что мы считали наиболее твердым, в крошечные частицы, плавающие в пустоте. Резкий толчок тем, кто думает, что вещи более или менее такие, какими кажутся. Открытие современной физикой пустоты внутри атома вызывает большее беспокойство, чем открытие астрономией огромной пустоты межзвездного пространства[46].

Понимание внутренней структуры атома может показаться просто занятной деталью. Тем не менее это открытие и понимание механизмов радиоактивного распада и трансмутации стали доминировать в науке, технике и даже политике на протяжении десятилетий. Тот факт, что атомы состоят из крошечного, плотного, положительно заряженного ядра, окруженного отрицательно заряженными электронами, породил целую область ядерной физики.

Простые эксперименты принесли огромное количество знаний. Это так взволновало Резерфорда, что однажды, как вспоминает Чарльз Перси Сноу – химик и один из сотрудников Резерфорда в Кембридже, который позже стал известным писателем, – ученый так настолько вышел из себя, что вскричал на собрании Британской ассоциации: «Мы живем в великий век науки!» – в то время как остальные в комнате сидели в ошеломленном молчании.

Энтузиазм Резерфорда был оправдан: он видел потенциал, который кроется в понимании атомного ядра и того, как работает радиоактивность. Сегодня многие люди ассоциируют слова «ядерный» и «радиоактивность» с технологиями ядерной энергетики и ядерного оружия, появившимися спустя десятилетия после этих открытий. Сила ядра и невидимой природы радиоактивности иногда вселяет страх. И все же, если бы радиоактивности не существовало, если бы все элементы были стабильны, если бы ядро не было удивительно сложным, нас вместе с нашей планетой и всем, что на ней есть, просто бы не существовало. Радиоактивность возникает потому, что атом имеет структуру, и открытие этой структуры привело нас к более глубокому, более фундаментальному пониманию природы материи.

Радиоактивность – это естественный процесс. Она воплощает идею о том, что все в нашей жизни, даже сама материя, находится в постоянном изменении. В некоторых случаях это изменение происходит мучительно медленно, поэтому мы называем некоторые атомы «стабильными», что означает, что