Vynikajúci experimentálny vedec z Nového Zélandu Ernest Rutherford, blízky priateľ Curieových, sa rozhodol, že ich pokusy s rádiom rozvinie o krok ďalej. Vypracoval dômyselný spôsob na analyzovanie toho, čo vyžaruje rádium a iné rádioaktívne prvky. Manželia Curieovi dokázali, že vzduch sa stáva elektrický vodivým, pokiaľ ním prechádza žiarenie rádia. Rutherford chcel zistiť, že či toto vyžarovanie je tokom čistej a absolútnej energie, povedzme zmiešanej s rádiom vo forme pary, alebo či ide o úplne odlišnú látku, ktorá prenáša častice energie. Domnieval sa, že okrem energie, ktorú namerali Curieovi, by sa mohla uvoľňovať aj iná látka vo forme plynu.
K overeniu tejto hypotézy Rutherford zostrojil dve komory spojené ventilom. Keď bol ventil uzavretý, jednu komoru naplnil žiarením z rádia, pričom meral elektrický náboj plynu vpúšťaného do komory. Pri meraní postupoval takým istým spôsobom ako Curieovi. Keď bol elektrický náboj obsahu komory totožný s nábojom, ktorý objavili Curievi, bol si vedomý, že komoru naplnil žiarením. Potom otvoril ventil spojujúci obe komory a odmeral veľkosť elektrického náboja v druhej komore. Sledoval elektrické náboje v obidvoch komorách a poctivo meral čas, potrebný na to, aby sa elektrické náboje v obidvoch komorách rovnali. Usúdil, že v tomto okamihu sa žiarenie z prvej komory pravdepodobne rovnomerne rozmiestnilo do obidvoch komôr. Veľmi dôležité bolo vedieť, ako dlho rozptyl trvá, lebo už bolo známe, že čas potrebný na rozptýlenie plynu je priamo úmerný jeho atómovej hmotnosti. Rutherford tak predpokladal, že dospeje ku konkrétnemu výsledku, pokiaľ sa rádium rozptyľovalo vo forme pary.
Avšak pri všetkých opakovaných pokusoch sa čas rozptylu líšil. Táto skutočnosť znamenala, že žiarenie malo menšiu atómovú hmotnosť ako malo rádium v periodickej tabuľke prvkov. Inými slovami, Rutherford objavil prvok ľahší ako rádium, ktorý vzniká v procese, pri ktorom rádium uvoľňuje svoju energiu. Kvôli presnosti je potrebné dodať, že Rutherford uskutočnil väčšinu rozhodujúcich pokusov s použitím thoria, ktoré uvoľňovalo radónový plyn. Takže síce dospel k správnemu výsledku, avšak pre niečo iné, ako pôvodne predpokladal. Čísla, ktoré vypočítal pre atómovú hmotnosť radónu, boli príliš nízke. Boli však bezpochybne dostatočne odlišné od atómovej hmotnosti rádia, aby ukázali, že sa vytvoril nový prvok a nie len rádium vo forme plynu. Aby sme lepšie pochopili celú vec, najdôležitejším momentom bolo, že vlastný proces zmeny, ku ktorému došlo v Rutherfordových pokusoch, prebiehal spontánne. Nebolo pochýb o tom, že jeden prvok sa menil v iný. A to bol práve proces, ktorý sa snažili docieliť alchymisti. Hovorí sa, že Rutherfordov asistent Frederick Soddy pri tejto príležitosti zvolal: "Preboha, Rutherford, veď mi sme objavili transmutáciu!"
Rutherford sa bál myšlienky, že spravil niečo, čo by len vzdialene mohlo súvisieť s diskreditovaným umením alchýmie. Nechcel súhlasiť s tým, aby sa jeho výsledky nazývali transmutáciou, ako by to malo vrhať pochybnosti na vedecký charakter jeho práce. Čo však v skutočnosti ukázal, nebolo nič iné, ako realita transmutácie. Jeho pokusy odhalili, že prinajmenšom sa v niektorých prípadoch jeden chemický prvok nejakým spôsobom môže vytvoriť z iného, pričom sa v rámci tohoto uvolňuje energia. Neznamenalo to síce len splnenie sna každého alchymistu o výrobe zlata zo základného kovu, pozitívne sa sa tým potvrdilo, že je možné, aby sa jeden chemický prvok premenil na iný, ale aj to, že sa tento jav vyskytuje aj v prírode.
Čo sa týka kozmológie, pokiaľ by sa ukázalo, že proces transmutácie sa vzťahuje na všetky chemické prvky a že všetko začalo veľkým treskom, potom by sa teoreticky čokoľvek, čo teda vzniklo, mohlo premeniť na čokoľvek iného. Bezprostredným Rutherfordovým zámerom však nebolo dokázať, že proces, ktorý odhalil pri skúmaní radioaktívnych prvkov, sa vzťahuje na všetky chemické prvky. Jeho prvoradým cieľom bolo zistiť, aké deje prebiehajú vo vnútri atómu, ktoré umožnujú, aby sa proces zmeny mohol uskutočniť.
Anatómia atómu
Počiatkom dvadsiateho storočia bol už vykonaný dosť veľký kus práce na porozumenie pravdepodobnej štruktúry atómu a boli identifikované jeho rôzne zložky. Britský fyzik J. J. Thomson napríklad objavil elektrón. Až do doby Thomsonových pokusov bola elektrina známa ako tok energie, ktorý sa mohol indukovať vo vhodnom elektrickom vodiči buď chemickým spôsobom (ako sú napríklad autobatérie, čo sa používajú dodnes), alebo fyzikálnym spôsobom (pohybovaním vodiča v magnetickom poli). Taktiež bolo známe, že elektrický prúd sa vo vodiči môže pohybovať obidvoma smermi a že presne tak ako póly magnetu, budú sa vodiče s elektrickou energiou prúdiacou v opačných smeroch navzájom priťahovať a vodiče s elektrickou enrgiou prúdiacou tým istým smerom odpudzovať. Takže myšlienka kladného a záporného elektrického náboja predstavujúceho dva protichodné smery už bola dobre známa a vžitá. Nikto však nevedel veľa o tom, čo vlastne tok elektrickej energie obsahuje.
J. J. Thomson objavil, že tok elektrickej energie pozostáva z častíc, ktoré sa dajú sledovať, keď sa nechá elektrická energia prúdiť z jedného konca špeciálne zostrojenej trubice k druhému. Trubica bola známa pod názvom katódová trubica. Pôvodný zámerom bolo zostaviť vákuovú trubicu, ale v skutočnosti v nej zostávalo určité množstvo plynu. Trubica bola uchytená medzi dve kovové doštičky, ktorým mohol byť dodaný elektrický náboj: jeden kladný a druhý záporný. To umožnilo, aby sa elektrická energia pohybovala od jedného konca trubice k druhému bez toho, aby boli tieto dva konce trubice spojené vodičom. Tak mohol Thomson pozorovať, čo sa nachádzalo "vo vnútri" elektrickej energie bez maskovania fyzikálnou štruktúrou vodičov. Z dôvodov, ktoré spočiatku neboli chápané, prítomnosť plynu spôsobila, že sa v trubici vytváralo svetlo. Mnoho vedcov sa pred Thomsonom snažilo vysvetliť, čo sa v trubici deje, avšak nakoniec sa priznalo J. J. Thomsonovi, že ako prvý dokázal, že príčinou svetla je tok častíc, ktoré nazval elektróny. Na svojej dráhe cez trubicu, častice v skutočnosti nesvietili; prazvláštné svetlo spôsobovala ich interakcia s plynmi vo vzduchu v trubici.
Thomson objavil, že žiariaci tok elektrónov bol ovplyvniteľný magnetom. Pozorovaním smeru, ktorým sa tok pohyboval, prišiel na to, že tieto časti majú záporný elektrický náboj. Naviac na základe toho, do akej miery vychýlil tok elektrónov, dokázal Thomson vypočítať, že každý elektrón musí mať hmotnosť menšiu ako atóm najľahčieho známeho prvku - vodíka. Znamená to, že sa jedná o niečo elementárnejšieho, ako je atóm? A pokiaľ áno, dá sa objaviť niečo iného s odpovedajúcou hmotnosťou a inými fyzikálnymi vlastnosťami, čo by doplňovalo súčasť atómu?
Vedci na celom svete začali vyvíjať snahu, aby identifikovali aj iné častice, ktoré by sa zároveň s elektrónmi mohli vyskytovať vo vnútri atómu. Začali sa zamýšľať nad tým, o akú štruktúru by mohlo ísť. Jednou z predstav bolo, že záporne nabité elektróny sa zrejme v každom atóme pohybujú okolo jadra, ktoré je nabité kladne, takže dva opačne nabité elektrické náboje sa navzájom priťahujú a tak držia atóm pohromade.
Rutherford túto predstavu rozšíril ďalej. V rámci svojej bádateľskej činnosti dokázal, že energia vyžarovaná rádioaktívnymi látkami má tri odlišné formy. V sérii pokusov zistil, že určitá časť energie dokáže preniknúť tenkou prekážkou z ťažkého kovu a časť energie to nedokáže. Okrem toho tá časť energie, ktorá prenikla tenkou prekážkou, bola zachytená silnejšou prekážkou. Ukázalo sa, že ostatná časť energie prenikala akoukoľvek veľkou prekážkou. Lúče, ktoré sa odrazili naspäť už od najtenšej prekážky, boli označené ako lúče alfa. Ako lúče beta boli označené, tie ktoré sa odrazili od druhej prekážky a ako lúče gama boli označené tie, ktoré prenikli obidvoma prekážkami.
Rutherford bol skoro schopný konštatovať o časticiach alfa dve základné veci. Zo spôsobu akým boli tieto častice vychyľované magnetickým poľom, dokázal zistiť za prvé, že sú kladne nabité, a za druhé, že majú presne takú hmotnosť ako jadro hélia. Rutherford sa potom pokúsil bombardovať kúsok tenkej zlatej fólie časticami alfa, predpokladajúc, že sa dozvie niečo nového zo spôsobu, akým sa budú tieto častice od prekážky odrážať. Zlatú fóliu umiestnil so valcovitej nádoby obloženej z vnútornej strany fotograficky citlivým papierom. Papier po vyvolaní ukázal smery, ktorými boli častice od zlatej fólie odrazené. Rutherford tak mohol uskutočniť mikroskopické pozorovanie častíc odrážajúcich sa do rôznych smerov vďaka scintilácie alebo nepatrnému záblesku svetla, ktoré každá častica vytvorila, keď sa odrazila od zlatej fólie. Toto svetlo sa pohybovalo smerom k stenám valca, kde bolo zachytené na fotografický papier. K veľkému prekvapeniu sa Rutherfordovi zdalo, že niektoré častice boli po odrazení od zlatej fólie vychyľované pod veľkým uhlom. Rutherford logicky usúdil, že to mohlo byť spôsobené len nejakou priamou odpudivou silou kladne nabitou časticou alfa a kladne nabitým jadrom atómu zlatej fólie. Aby jadro mohlo takto pôsobiť musí existovať medzi ním a elektrónmi voľný priestor. Elektróny musia preto okolo jadra obiehať v určitej vzdialenosti. Rutherford tak štúdiom pohybu častíc alfa odhalil štruktúru atómu, ktoré sú tvorené veľmi malým jadrom s kladným elektrický nábojom a vôkol neho obiehajúcich záporne nabitých elektrónov.
