Опираясь на свои собственные результаты, Эрнест Резерфорд и Дж. Дж. Томсон предположили, что под действием рентгеновских лучей разрушаются атомы газа и появляются отрицательно и положительно заряженные частицы. Эти частицы ученые назвали ионами. Совместные труды ученых привели также к открытию электрона – атомной частицы, несущей отрицательный электрический заряд.

В декабре 1897 года Резерфорду продлили стипендию имени Всемирной выставки, и он начал серьезно заниматься исследованием атомной структуры. Однако когда в апреле 1898 года освободилось место профессора Мак-Гиллского университета в Монреале и молодому ученому предложили эту должность, он дал согласие. Осенью 1898 года Резерфорд начал преподавать в Мак-Гиллском университете.

В Канаде тогда еще двадцатисемилетний профессор совершил множество гениальных открытий. В 1899 году он обнаружил, что радиоактивный торий испускает газообразный радиоактивный продукт. Это явление ученый назвал «эманацией» (испусканием). В результате последующих исследований было установлено, что два других радиоактивных элемента – радий и актиний – тоже производят эманацию.

Ученый показал, что существуют, по крайней мере, два вида излучения. Первое из них, которое легко поглощалось, он назвал альфа-излучением, а второе, обладающее большей проникающей способностью, – бета-излучением.

Проанализировав результаты исследований, Резерфорд сделал вывод, что все известные науке радиоактивные элементы испускают альфа– и бета-лучи. Поскольку через определенный период времени радиоактивность элементов уменьшалась, ученый предположил, что все радиоактивные элементы принадлежат к одному семейству атомов. Таким образом, их можно классифицировать по периоду уменьшения их радиоактивности.

В 1902–1903 годах Резерфорд, совместно с Фредериком Содди, одним из основателей радиохимии, продолжил исследования в данной области. Ученые открыли общий закон радиоактивных превращений, выразили его в математической форме, ввели понятие «период полураспада», а также изложили основные положения созданной ими теории радиоактивности.

По Резерфорду и Содди, радиоактивность возникала в том случае, когда атом отторгал частицу самого себя. В результате потери атом одного химического элемента превращался в атом другого.

Открытия ученых вошли в перечень важнейших научных событий XX века. Все ранее существовавшие аксиомы о неделимости и неизменности атомов были разрушены. Ученые сформулировали законы превращений, из которых следовало, что превращения химических элементов при радиоактивных распадах не только происходят, но и замедлить или прекратить их не является возможным.

Исследуя радиоактивные превращения, Резерфорд и Содди подсчитали энергию альфа-частиц, испускаемых радием, и сделали вывод, что энергия радиоактивных превращений во много тысяч, а может, и миллионов раз превышает энергию любого молекулярного превращения. По мнению ученых, эту энергию необходимо было учитывать при любых явлениях космической физики, в частности, постоянство солнечной энергии они объясняли тем, что на Солнце происходят процессы субатомного превращения.

В 1903 году Резерфорд провел ряд экспериментов, доказывающих его теорию, а также показал, что альфа-частицы несут положительный заряд.

Работы Резерфорда принесли ему огромную известность. В 1903 году он был избран членом Лондонского королевского общества.

В 1904 году Резерфорд написал книгу «Радиоактивность», в которой представил и сформулировал результаты своих исследований. В следующем году он опубликовал свою вторую книгу «Радиоактивные превращения». Резерфорда стали приглашать на работу разные университеты и научно-исследовательские центры разных стран. В 1907 году он решил сменить место проживания и вернулся в Англию. 24 мая 1907 года Резерфорд приехал в Манчестер, где занял пост профессора физики в Манчестерском университете.

В Манчестере Резерфорд продолжил свои исследования. При помощи Гейгера он организовал при университете школу по изучению радиоактивности. В 1908 году Резерфорд помог Гансу Гейгеру создать счетчик альфа-частиц и в следующем году доказал, что альфа-частицы являются дважды ионизированными атомами гелия.

В 1908 году «за проведенные им исследования в области распада элементов в химии радиоактивных веществ» Резерфорду была присуждена Нобелевская премия по химии. В презентационной речи президент Шведской королевской академии наук К. Б. Хассельберг указал на огромное значение открытий ученого.

В своей нобелевской лекции «Химическая природа альфа-частиц в радиоактивных веществах», прочитанной 11 декабря 1908 года, Резерфорд предположил, что альфа-частицы идентичны по массе и составу и состоят из ядер атомов гелия. Из этого следует, что атомы радиоактивных элементов также частично состоят из атомов гелия.

После получения Нобелевской премии Резерфорд начал исследовать строение атома. Он обратился к методике, которую применял вместе с Дж. Дж. Томсоном в Кавендишской лаборатории, – к просвечиванию альфа-частицами. Ученый вместе с ассистентами Гансом Гейгером и Эрнстом Марсденом провел ряд опытов, в которых бомбардировал пластинку тонкой золотой фольги альфа-частицами, излучаемыми ураном. В то время физики считали, что расстояния между атомами в твердых телах примерно такие же, как и размеры атомов. Отсюда можно было сделать вывод, что альфа-частицы не смогут пролететь даже сквозь тонкую фольгу.

Уже первые опыты Резерфорда опровергли этот вывод – большая часть альфа-частиц пронизывала фольгу, почти не отклоняясь. Но примерно в одном из 8000 случаев они отклонялись от ожидаемого направления в даже большей степени, чем это допускалось теорией, словно сталкиваясь с какой-то преградой. Эта удивительная аномалия оказалась начальным пунктом в разработке ядерной модели атома.

После того как Дж. Дж. Томсон открыл, что электроны имеют отрицательный электрический заряд, он предложил модель атома в виде положительно заряженной капли радиусом в стомиллионную долю (10,8) сантиметра, внутри которой находятся крохотные отрицательно заряженные электроны. Положительные и отрицательные заряды равномерно распределялись в атоме и, следовательно, не могли в значительной мере изменять направление движения альфа-частиц.

Исходя из своих опытов, в 1911 году Резерфорд отказался от модели Томсона и предложил новую модель атома. Свои идеи он изложил в статье «Рассеяние альфа– и бета-излучений в веществе и структура атома» майского номера журнала «Philosophical Magazin» – вестника множества гениальных открытий.

По Резерфорду, в центре атома находится ядро, в котором сосредоточены положительно заряженные частицы и которое составляет всю массу атома. Отрицательно заряженные частицы (электроны) размещены на орбите ядра, на довольно большом расстоянии от него. Поскольку массы электронов значительно меньше масс альфа-частиц, последние почти не отклоняются, пронизывая электронные облака. И только в том случае, когда альфа-частица пролетает близко от положительно заряженного ядра, кулоновская сила отталкивания резко изменяет ее траекторию.

Модель Резерфорда, которая на сегодняшний день является общепринятой, напоминала крошечную модель Солнечной системы и получила название «планетарной модели атома».

После того как в 1913 году друг и сотрудник Резерфорда датский физик Нильс Бор внес в планетарную модель идею квантов, модель атома получила мировое признание. Бор предположил, что в атоме существуют орбиты, двигаясь по которым электрон получает ускорение, и указал правило для нахождения таких стационарных орбит. При переходе электрона с одной орбиты на другую в соответствии с законом сохранения энергии появляются кванты излучения.

Теория Нильса Бора устранила главный недостаток планетарной модели атома – электродинамическую неизбежность падения вращающегося электрона на ядро.

Во время Первой мировой войны английское правительство назначило Резерфорда членом гражданского комитета Управления изобретений и исследований Британского адмиралтейства. В его обязанности входило изобретение метода обнаружения подводных лодок противника с помощью акустики.