Ernest Rutherford tại Đại học McGill năm 1905

Tại Cambridge, Rutherford bắt đầu làm việc với JJ Thomson về tác động dẫn của tia X đối với chất khí, công việc dẫn đến việc phát hiện ra electron mà Thomson trình bày với thế giới vào năm 1897. Nghe về trải nghiệm của Becquerel với uranium, Rutherford bắt đầu khám phá tính phóng xạ của nó, khám phá ra hai loại khác với tia X trong khả năng xuyên thấu của chúng. Tiếp tục nghiên cứu của mình ở Canada, ông đã đặt ra thuật ngữ tia alpha và tia beta [30] vào năm 1899 để mô tả hai loại bức xạ riêng biệt. Sau đó, ông phát hiện ra rằng thorium tạo ra một loại khí tạo ra chất phóng xạ tự nó và sẽ bao phủ các chất khác.[31] Ông phát hiện ra rằng một mẫu vật liệu phóng xạ có kích thước bất kỳ luôn luôn mất cùng một lượng thời gian để một nửa mẫu phân rã - " thời gian bán hủy " của nó (11½ phút trong trường hợp này).

Từ năm 1900 đến năm 1903, ông được nhà hóa học trẻ Frederick Soddy (Giải thưởng Nobel về hóa học năm 1921) tham gia tại McGill, người mà ông đặt ra vấn đề xác định các phát xạ thorium. Khi đã loại bỏ tất cả các phản ứng hóa học thông thường, Soddy cho rằng đó phải là một trong những khí trơ mà họ đặt tên là thoron (sau này được tìm thấy là đồng vị của radon). Họ cũng tìm thấy một loại thorium khác mà họ gọi là Thorium X, và tiếp tục tìm thấy dấu vết của helium. Họ cũng đã làm việc với các mẫu "Uranium X" từ William Crookes và radium từ Marie Curie.

Năm 1903, họ đã xuất bản "Luật thay đổi phóng xạ" để giải thích cho tất cả các thí nghiệm của họ. Cho đến lúc đó, các nguyên tử được coi là cơ sở không thể phá hủy của mọi vật chất và mặc dù Curie đã cho rằng phóng xạ là một hiện tượng nguyên tử, ý tưởng về các nguyên tử của các chất phóng xạ vỡ ra là một ý tưởng hoàn toàn mới. Rutherford và Soddy đã chứng minh rằng phóng xạ liên quan đến sự phân rã tự phát của các nguyên tử thành các vật chất khác, chưa được xác định. Giải thưởng Nobel về hóa học 1908 đã được trao cho Ernest Rutherford "vì những nghiên cứu của ông về sự tan rã của các nguyên tố và hóa học của các chất phóng xạ".[32]

Năm 1903, Rutherford đã xem xét một loại bức xạ được phát hiện (nhưng không được đặt tên) bởi nhà hóa học người Pháp Paul Villard vào năm 1900, như một phát xạ từ radium, và nhận ra rằng quan sát này phải thể hiện một cái gì đó khác với tia alpha và beta của chính ông, do chính nó sức mạnh thâm nhập lớn hơn nhiều. Do đó, Rutherford đã cho loại bức xạ thứ ba này là tên của tia gamma. Tất cả ba thuật ngữ của Rutherford đều được sử dụng tiêu chuẩn ngày nay - các loại phân rã phóng xạ khác đã được phát hiện, nhưng ba loại của Rutherford là một trong những loại phổ biến nhất.

Ở Manchester, ông tiếp tục làm việc với bức xạ alpha. Kết hợp với Hans Geiger, ông đã phát triển các sàng lọc kẽm sulfide và buồng ion hóa để đếm bảng chữ cái. Bằng cách chia tổng số điện tích mà chúng tạo ra cho số lượng được tính, Rutherford quyết định rằng điện tích trên alpha là hai. Vào cuối năm 1907, Ernest Rutherford và Thomas Royds cho phép các bảng chữ cái xuyên qua một cửa sổ rất mỏng vào một ống di tản. Khi họ châm ngòi cho ống phóng điện, quang phổ thu được từ nó thay đổi, khi các chữ cái được tích lũy trong ống. Cuối cùng, quang phổ rõ ràng của khí heli xuất hiện, chứng minh rằng hạt alpha ít nhất là các nguyên tử helium bị ion hóa, và có lẽ là hạt nhân helium.

Một huyền thoại đã tồn tại từ lâu, ít nhất là vào đầu năm 1948,[33][34] chạy ít nhất đến năm 2017, rằng Rutherford là nhà khoa học đầu tiên quan sát và báo cáo sự biến đổi nhân tạo của một nguyên tố ổn định thành một nguyên tố khác: nitơ thành oxy. Nhiều người cho rằng đó là một trong những thành tựu lớn nhất của Rutherford.[35][36] Chính phủ New Zealand thậm chí đã phát hành một con tem kỷ niệm với niềm tin rằng phát hiện nitơ-oxy thuộc về Rutherford.[37] Bắt đầu từ năm 2017, nhiều tổ chức khoa học đã sửa các phiên bản lịch sử của họ để chỉ ra rằng tín dụng khám phá cho phản ứng thuộc về Patrick Blackett.[38] Rutherford đã phát hiện ra proton bị đẩy ra vào năm 1919 và giải thích nó là bằng chứng cho sự tan rã của hạt nhân nitơ (thành hạt nhân nhẹ hơn). Năm 1925, Blackett cho thấy sản phẩm thực tế là oxy và xác định phản ứng thực sự là 14 N + α → 17 O + p. Do đó, Rutherford nhận ra rằng "hạt nhân có thể tăng chứ không giảm dần về khối lượng do va chạm trong đó proton bị đẩy ra ngoài." [39]

Thí nghiệm lá vàng

Top: Kết quả dự kiến: các hạt alpha đi qua mô hình bánh mận của nguyên tử không bị xáo trộn.Dưới cùng: Kết quả quan sát được: một phần nhỏ của các hạt bị lệch, biểu thị một điện tích nhỏ, tập trung. Sơ đồ không theo tỷ lệ; trong thực tế, hạt nhân nhỏ hơn rất nhiều so với vỏ electron.

Rutherford đã thực hiện tác phẩm nổi tiếng nhất của mình sau khi nhận giải thưởng Nobel năm 1908. Cùng với Hans Geiger và Ernest Marsden vào năm 1909, ông đã thực hiện thí nghiệm GeigerTHER Marsden, chứng minh bản chất hạt nhân của các nguyên tử bằng cách làm chệch hướng các hạt alpha đi qua một lá vàng mỏng. Rutherford được truyền cảm hứng để yêu cầu Geiger và Marsden trong thí nghiệm này tìm kiếm các hạt alpha có góc lệch rất cao, một loại không được mong đợi từ bất kỳ lý thuyết vật chất nào vào thời điểm đó. Các độ võng như vậy, mặc dù hiếm, đã được tìm thấy, và được chứng minh là một hàm trơn tru nhưng có thứ tự cao của góc lệch. Chính sự giải thích về dữ liệu này của Rutherford đã khiến ông xây dựng mô hình nguyên tử của Rutherford vào năm 1911  – rằng một rất nhỏ [8] hạt nhân tích điện, bao gồm phần lớn khối lượng của nguyên tử, được electron khối lượng thấp quay quanh.

Vào năm 1919, 191920, Rutherford đã phát hiện ra rằng nitơ và các nguyên tố ánh sáng khác đã phóng ra một proton, mà ông gọi là "nguyên tử hydro", khi va chạm với các hạt α (alpha).[40] Kết quả này cho thấy Rutherford rằng hạt nhân hydro là một phần của hạt nhân nitơ (và theo suy luận, có lẽ là các hạt nhân khác). Việc xây dựng như vậy đã bị nghi ngờ trong nhiều năm trên cơ sở trọng lượng nguyên tử là toàn bộ số lượng của hydro; xem giả thuyết của Prout. Hydrogen được biết đến là nguyên tố nhẹ nhất và hạt nhân của nó có lẽ là hạt nhân nhẹ nhất. Bây giờ, vì tất cả những cân nhắc này, Rutherford đã quyết định rằng hạt nhân hydro có thể là một khối xây dựng cơ bản của tất cả các hạt nhân, và cũng có thể là một hạt cơ bản mới, vì không có gì được biết từ hạt nhân nhẹ hơn. Do đó, xác nhận và mở rộng công trình của Wilhelm Wien, người vào năm 1898 đã phát hiện ra proton trong các luồng khí ion hóa,[41] Rutherford đã cho rằng hạt nhân hydro là một hạt mới vào năm 1920, mà ông gọi là proton  

Năm 1921, khi làm việc với Niels Bohr (người đã tuyên bố rằng các electron chuyển động theo quỹ đạo cụ thể), Rutherford đã đưa ra giả thuyết về sự tồn tại của neutron, (mà ông đã đặt tên trong Bài giảng Bakerian năm 1920), bằng cách nào đó có thể bù đắp cho hiệu ứng đẩy lùi của dương điện tích của các proton bằng cách gây ra một lực hạt nhân hấp dẫn và do đó giữ cho các hạt nhân không bị tách ra khỏi lực đẩy giữa các proton. Sự thay thế duy nhất cho neutron là sự tồn tại của "electron hạt nhân" sẽ chống lại một số điện tích proton trong hạt nhân, từ đó người ta đã biết rằng hạt nhân có khối lượng gấp đôi khối lượng có thể được tính nếu chúng được lắp ráp đơn giản từ hydro hạt nhân (proton). Nhưng làm thế nào những electron hạt nhân này có thể bị giữ lại trong hạt nhân, là một bí ẩn.

Thuyết neutron của Rutherford đã được cộng sự James Chadwick chứng minh vào năm 1932, và Chadwick đã nhận ra neutron ngay lập tức khi chúng được các nhà khoa học khác tạo ra; và sau đó là chính ông tạo ra khi bắn phá beryllium bằng các hạt alpha. Năm 1935, Chadwick đã được trao giải thưởng Nobel về Vật lý cho khám phá này.