Однако иллюзия Томсона длилась недолго. К концу 1905 года некоторые экспериментальные результаты косвенно указали на то, что число электронов в каждом атоме не превышает нескольких десятков. Это означало, что большая часть массы атомов не может состоять в его электронах, а должна быть в части положительного электричества. В чем же тогда заключалась эта положительно заряженная часть атома? Здесь Томсон приступил к исследованию положительных ионов, то есть атомов, потерявших один или несколько электронов, в поисках ключа, который позволил бы понять положительную часть атома.
Но с уменьшением числа электронов проявилась фундаментальная проблема, которую методы физики XIX века не объясняли: нестабильность атома, вызванная излучением электронов. Дело в том, что движение электрически заряженных частиц (электронов) производит множество неожиданных эффектов. Нас интересует потеря энергии при излучении, вызванном их скоростью, а также потеря скорости, вызванная сопротивлением среды.
Чтобы представить себе стабильные конфигурации электронов в море положительного электричества, требовалось, чтобы электроны двигались на больших скоростях; тогда они испускали бы электромагнитное излучение и в результате теряли энергию и скорость и падали в центр атома, который утрачивал бы свои обычные свойства. Когда считалось, что в атоме тысячи электронов, потеря энергии при излучении не представлялась проблемой: электронов было достаточно для того, чтобы энергия одних поглощалась другими и атом мог оставаться стабильным. Но когда число электронов в атоме значительно сократилось, подобная компенсация оказалась абсолютно невозможной, а значит, нельзя было представить стабильный атом. С этой же проблемой в ином контексте сталкивались многие физики того времени, и решил ее только Эйнштейн в статье 1905 года <К электродинамике движущихся тел*, заложившей основы специальной теории относительности.
Одной из актуальных тем в физике в 1911 году были эксперименты Резерфорда и, что самое важное, их истолкование самим новозеландским исследователем. Резерфорд создал в Манчестере школу «радиоактивистов» — исследовательское отделение, сосредоточенное в основном на экспериментальном изучении радиоактивности. Речь шла о явлении, открытом Анри Беккерелем (1852-1908) и супругами Пьером (1859- 1906) и Марией (1867-1934) Кюри, о котором — в отношении его эффектов, свойств и глубинной природы — было известно очень мало.
Уже в 1899 году Резерфорд понял, что речь идет не об одном, а о трех типах излучения, которые различаются электрическим зарядом и способностью проникновения в материю. Он обозначил их первыми тремя буквами греческого алфавита в порядке возрастания энергии: альфа-излучение (а) — с положительным электрическим зарядом, отрицательно заряженное бета-излучение (Р) и гамма-излучение (у), не имеющее заряда. Кроме того, первые два вида излучения явно состояли из корпускул — частиц, обладающих массой. Альфа-частицы имели массу, похожую на массу атома гелия, а бета-частицы... были электронами!
Работы Резерфорда и его команды в Манчестере мало перекликались с интересами Томсона и Кавендиша. С самого начала Резерфорд был заворожен свойствами радиоактивности и сосредоточился на этой новой области. Эти работы обеспечили ему в 1908 году Нобелевскую премию... по химии (так же, как и Марии Кюри в 1911 году). Радиоактивность — явление на полпути между физикой и химией. С одной стороны, изучение его природы, его интенсивности, его свойств при взаимодействии с материей — вопросы, традиционно физические; в то же время выделение веществ, наблюдение их реакций, измерение массы — это задачи химии. Поэтому школа Резерфорда в Манчестере объединила ученых (физиков и химиков) в деле исследования свойств радиоактивности.
В начале 1896 года внимание мира было приковано к новому типу излучения — рентгеновским, или икс-лучам.
Анри Беккерель хотел понять возможную связь между этими лучами и уже известным явлением флуоресценции, при котором некоторые вещества превращаются в излучатели света, подвергнувшись интенсивному солнечному излучению. Эксперименты Беккереля были относительно просты: он брал вещества с флуоресцентными свойствами, подвергал их прямому действию солнечного света и изучал их воздействие на фотографическую пластину в темноте. После нескольких облачных дней он с удивлением обнаружил, что фотографические пластины, которые он оставил в том же ящике, что и предполагаемые флуоресцентные вещества, оказались затуманены. Беккерель сосредоточился на этом явлении и попытался выяснить, возможно ли его повторить. Оказалось, возможно. Одно из веществ, с которым он работал, содержащее соли урана, спонтанно испускало доселе неизвестное излучение, из-за которого фотографические пластины затуманивались. Можно сказать, что Беккерель открыл новое внешне необъяснимое явление, вызванное ураном. Но только спустя десятилетия работы исследовательских групп, больших затрат, выдвижения всевозможных гипотез были описаны характеристики этого явления и состоялся переход от урановых лучей к радиоактивности. На самом деле Беккерель не был заинтересован в продолжении изучения «своих» лучей. Именно супруги Кюри и Эрнест Резерфорд сделали их главной темой своих исследований. Так, они выяснили, что это излучение характерно не только для урана: его испускают и другие тяжелые элементы (последние в периодической таблице) — радий и торий. Но более важно то, что им удалось выделить новый элемент, названный полонием в честь Польши, родины Марии Кюри.