Вместе они разработали схему простого эксперимента. Они собирались подсчитать число сцинтилляций — небольших вспышек света, вызванных α-частицами, которые, пройдя через листок тонкой золотой фольги, ударяются в бумажный экран, покрытый сульфидом цинка. Считать сцинтилляции, проводя долгие часы в полной темноте, было очень трудно. К счастью, по словам Резерфорда, “Гейгер был гениальным исполнителем и мог, не теряя самообладания, считать хоть целую ночь напролет”38. Гейгер обнаружил, что α-частицы либо проходят через фольгу и не меняют направления, либо отклоняются на один-два градуса. Этого и следовало ожидать. Удивительно было другое: Гейгер заметил, что некоторые α-частицы “отклоняются на существенно больший угол”39.
Еще до того, как Резерфорд полностью разобрался в том, что означают результаты Гейгера и имеют ли они вообще смысл, ему была присуждена Нобелевская премия по химии “за проведенные исследования в области распада элементов в химии радиоактивных веществ”. Забавная сторона этого события состоит в том, что человек, полагавший, что “наука может быть либо физикой, либо коллекционированием марок”, претерпел неожиданное превращение из физиков в химики40. После возвращения из Стокгольма Резерфорд-лауреат научился вычислять вероятности рассеяния α-частиц на разные углы. Расчеты показали, что очень мал (практически равен нулю) шанс, что α-частица, проходя через золотую фольгу, многократно рассеется: это в результате могло бы привести к большому углу отклонения.
Именно тогда, когда Резерфорд был погружен в эти вычисления, Гейгер предложил привлечь к работе подающего надежды студента Эрнеста Марсдена. “Почему бы нет? Пусть выяснит, могут ли α-частицы рассеиваться на большие углы”, — сказал Резерфорд41. И очень удивился, когда Марсден обнаружил, что это возможно. Поиск продолжался. Углы рассеяния все увеличивались, но, согласно расчетам, рассеяния на такие большие углы вообще не могло быть: зарегистрированных Марсденом вспышек света, указывающих на то, что α-частицы попадают на покрытый сульфидом цинка экран, не должно было быть видно.
Пытаясь понять “природу гигантских электрических или магнитных сил, способных повернуть или рассеять пучок α-частиц”, Резерфорд попросил Марсдена проверить, могут ли α-частицы рассеиваться назад42. Он не ожидал, что Марсден вообще что-нибудь увидит, и был крайне удивлен, когда Марсден обнаружил: некоторые α-частицы отскакивают от золотой фольги. “Это невообразимо! — отозвался Резерфорд. — Это столь же невероятно, как если бы вы попали пятнадцатидюймовым снарядом в бумажную салфетку, а он отскочил бы и попал в вас”43.
Гейгер и Марсден сравнили результаты экспериментов, в которых использовались разные металлы. Оказалось, что золото рассеивает обратно в два раза больше α-частиц, чем серебро, и в двадцать раз больше, чем алюминий. От платиновой фольги отскакивает лишь одна из восьми тысяч α-частиц. В статье, опубликованной в июне 1909 года, Гейгер и Марсден безо всяких комментариев подробно описали эксперимент и его результаты. Сбитому с толку Резерфорду потребовалось еще восемнадцать месяцев на решение этой загадки.
Весь XIX век вокруг существования атомов велись непрерывные научные и философские дебаты. Но к 1909 году неоспоримые доказательства их реальности уже появились. Критикам атомарной теории пришлось уступить давлению неопровержимых фактов. Доказательства основывались прежде всего на экспериментально подтвержденной модели броуновского движения Эйнштейна и открытом Резерфордом распаде радиоактивных элементов. После десятилетий споров, участие в которых принимали многие видные физики и химики, наиболее приемлемой была признана модель атома, предложенная в 1903 году Джозефом Джоном Томсоном, — “пудинг с изюмом”.
Томсон считал, что атом — это не обладающий массой положительно заряженный шар, в котором, как изюмины в пудинге, распределены отрицательно заряженные электроны. Электроны были открыты Томсоном шестью годами ранее. Положительный заряд компенсирует силы отталкивания, действующие между электронами, которые в противном случае разорвали бы атом на части44. В атоме каждого элемента, предполагал Томпсон, электроны распределены по собственному, характерному для данного элемента набору концентрических окружностей. Различное число и способ расположения электронов, например в золоте и свинце, отличают их. Поскольку в атоме Томсона массой обладают только электроны, то даже в самых легких из них должно было быть несметное количество электронов.
Ровно за сто лет до этого, в 1803 году, английский химик Джон Дальтон впервые высказал идею о том, что атом каждого элемента однозначно характеризуется его весом. Прямого метода измерения атомных весов у него не было, поэтому он определял только их относительные значения, анализируя пропорции, в которых элементы объединяются, образуя соединения. Для сравнения Дальтону нужен был эталон. Поскольку водород — самый легкий из известных элементов, он положил его атомный вес равным единице. После этого атомные веса остальных элементов можно было сравнивать с атомным весом водорода.