Радиоактивными элементами оказались не только уран и торий, но и только что открытые полоний и радий. Затем был обнаружен и ещё один радиоактивный элемент — актиний.

Изучением радиоактивности, как и следовало ожидать, помимо Беккереля и супругов Кюри, занялись многие учёные. Увлекла эта тема и выдающегося физика новозеландца Эрнста Резерфорда.

В 1892 г. Резерфорд был ещё студентом-третьекурсником, когда в научно-студенческом обществе выступил с докладом, который назывался «Эволюция элементов». Точный текст доклада не сохранился, однако уже название говорит само за себя. Надо сказать прямо: для подобного взгляда физика тогда ещё не созрела — никаких фактических данных, чтобы рассматривать известные науке элементы с точки зрения их эволюции, не было. Студент Резерфорд проявил незаурядную смелость, очевидно, основательно подогретую идеями Крукса.

Доклад встретили с нескрываемой иронией, пылкому студенту пришлось спуститься с небес на землю и признаться в том, что он «зашёл слишком далеко».

В 1895 г. молодой провинциальный учёный Эрнст Резерфорд прибыл из далёкой Новой Зеландии в Кембридж к директору знаменитой Кавендишской лаборатории Дж. Дж. Томсону. Он попал туда в удачное время, ибо Томсон как раз задумал «мощное наступление» на малоисследованные проблемы физики и нуждался в молодых и энергичных помощниках. Сам Томсон был занят изучением электрических разрядов в газах. Катодные, каналовые, рентгеновские лучи стали объектом его пристального внимания.

Славная плеяда молодых учёных собралась вокруг Дж. Дж. Томсона. Таунсенд, Релей-младший, Вильсон и целый ряд других, ставших впоследствии выдающимися физиками. Знаменитый французский учёный Поль Ланжевен в тот период был совсем молод, он с упоением погрузился в работу, предложенную Томсоном, и тогда же началась для него подготовка к известной докторской диссертации «Исследования в области ионизации газов».

И всё же самым видным, энергичным, нетерпеливым среди них следует считать Эрнста Резерфорда, говорившего иногда: «Ионы — это весёлые малыши, вы можете наблюдать их едва ли не воочию».

Сказать, что весь учёный мир был тогда в восторге от открытия электрона, было бы слишком необоснованным заявлением. Большинство физиков твёрдо держалось понятия неделимости атома. Как ни странно, наиболее упорным в своих убеждениях оказался знаменитый Рентген. Он в своей лаборатории просто запрещал произносить слово «электрон» и отрицал его существование в течение целых десяти лет. Лишь в 1907 г., когда научные открытия, связанные с представлениями о сложной структуре атома, следовали одно за другим, Рентген позволил уговорить себя своему ассистенту из России А.Ф.Иоффе и разрешил пользоваться понятием «электрон».

На Кавендишскую лабораторию сильное впечатление произвело известие о работах А.Беккереля, и Резерфорд решил немедленно заняться изучением урановых лучей. Он потратил на это целый год и тоже пришёл к заключению, что к лучам Рентгена они никакого отношения не имеют. Мы сейчас хорошо знаем, что рентгеновские лучи как вид электромагнитных колебаний могут иметь большую или меньшую проникающую способность в зависимости от частоты колебаний и длины волны. В те времена также уже различали «жёсткие» и «мягкие» X-лучи, хотя и пошучивали, говоря, что их проникающая способность целиком зависит от Эбенизера Эверетта — искуснейшего стеклодува, изготовителя разрядных трубок.

Резерфорд один из первых установил, что урановые лучи неоднородны. Помещая на пути этих лучей листочки алюминиевой фольги, он наблюдал по электрометру, как ослабевал ток, возникающий под влиянием радиации. Четыре листочка уменьшали ток в двадцать раз по сравнению с исходным, но дальнейшее прибавление их почти не влияло на стрелку электрометра, которая никак не хотела вернуться в исходное положение; лишь сотый листок уменьшил этот «застывший» на определённом уровне ток вдвое. Так было выяснено, что излучение урана состоит из двух компонентов: порождающего сильную ионизацию, но сильно поглощающегося веществом, и создающего менее заметную ионизацию, но обладающего гораздо большей проникающей способностью. Так были открыты альфа- и бета-лучи. Разделение их с помощью магнита было осуществлено позднее.

В разгар работы Резерфорда в печати появилось научное сообщение М.Кюри «О лучах, испускаемых соединениями урана и тория». По рекомендации Дж. Дж. Томсона Резерфорду была предоставлена возможность занять должность профессора физики в Мак-Гиллском университете в Монреале. Молодой учёный расстался с друзьями по Кавендишской лаборатории и отправился за океан — в Канаду. Там он немедленно стал продолжать исследования уранового излучения.

Его коллега, профессор электротехники Б.Р.Оуэнс, тоже заинтересовался этим и попросил Резерфорда указать, с чего ему начать. Резерфорд, не колеблясь, ответил: с тория.

Радиоактивность этого элемента была совершенно неизученной областью; кроме того, что она существует, о ней ничего не было известно. Правда, Беккерель, наблюдая ториевое излучение, отмечал любопытное отличие его от уранового. Если последнее в течение двух лет было неизменным, то первое меняло свою интенсивность по самым, можно сказать, пустяковым причинам, вплоть до чихания ассистента или хлопанья лабораторной двери. Беккерель, конечно, мог и ошибиться, но если всё точно, то такое непостоянство излучения может дать ключ к пониманию радиоактивных явлений.

Так рассуждал Резерфорд, предлагая Оуэнсу обратить самое серьёзное внимание на торий.

Правота Беккереля в опытах Оуэнса подтвердилась самым неожиданным образом. Кафедра физики Мак-Гиллского университета была основана на средства чудака-миллионера Макдональда, который и в дальнейшем подбрасывал ей значительные суммы. Это был табачный король, не выносивший табачного дыма, в его присутствии никто не курил. Однажды он неожиданно посетил университет, и Резерфорд ворвался в подвальное помещение, где работал Оуэнс, с криком: «Настежь окна, уберите трубки! Живей пошевеливайтесь: Макдональд обходит лаборатории!» Требование было выполнено с предельной поспешностью, и сквозняк вымел весь табачный дым. Но когда Оуэнс снова сел измерять активность тория, то обнаружил, что она резко упала. Выходило, что интенсивность ториевой радиации зависела от движения воздуха. Говорят, Резерфорд поздравил Оуэнса с тем, что непонятное стало ещё непонятней. Дальнейшие опыты показали, что «в безветрии» радиация восстанавливала свою интенсивность.

Оуэнс уехал в Англию, и Резерфорд уже без него пытался разрешить загадку тория. По проведённым наблюдениям из тория что-то выделялось радиоактивное, и его, как это ни странно, можно самым примитивным образом сдуть. Что это — пар, пыль или ещё что-то? Неизвестно, а пока Резерфорд дал ему имя «эманация», заимствуя это слово из лексикона мистиков, где оно означает — «выделение», что, конечно, никак не свидетельствует о склонности Резерфорда к мистике. Физики умели, оказывается, шутить и раньше…

Загадочную эманацию учёный пропустил через фильтр из стеклянной ваты, — приём, которым он пользовался ещё в Кавендишской лаборатории. Интенсивность радиации не изменилась. Это говорило о том, что эманация — не пылинки и не ионы, так как первые задерживались фильтром, а вторые прилипали к стенкам стекла. Не исключалась возможность, что эманация — просто пары тория. Однако прогоняя воздух с эманацией через крепкую серную кислоту, Резерфорд убедился, что и пары тут не при чём: если бы это были пары, они обязательно бы вступили в реакцию с кислотой, отдав ей свою радиоактивность и освободив от неё воздух. Между тем кислота оставалась не радиоактивной, а воздух — да. Новый газ? Новый элемент? Можно было ожидать такого же триумфа, какой был у Рамзая при открытии благородных газов. Следовало немедленно воспользоваться методом, который не раз уже с успехом сыграл роль непогрешимого разведчика, — спектральным анализом. К сожалению, в Монреале не было опытного спектроскописта, а посылать трубочку с газом в Англию было совершенно бессмысленно: пока она переплывала бы океан, газ утратил бы радиоактивность — это Резерфорд твёрдо знал. Надо было найти какой-то другой путь, чтобы убедить исследователей в том, что эманация — это новый благородный газ, дополняющий группу, открытую Рамзаем. И Резерфорд попытался это сделать с помощью старой машины Линде, переведя газ в жидкое состояние. Но машина давала только минус 100 °C, а этого оказалось мало. Пришлось искать более совершенную холодильную машину, дававшую минус 200 °C. Когда газ, наконец, удалось ожижить, физики признали, что эманация — это действительно благородный газ. Назвали его тороном.