19. yüzyılın sonlarında fizikçiler, birkaç küçük detayın ötesinde bilinmeyenlerin kalmadığı, fiziğin sonuna gelindiği gibi bilimin karakteriyle uyuşmayan bir düşünceye kapıldılar. Aslında bunda kısmen haklı da olabilirlerdi. Galilei ve Newton'un mekanik alanındaki araştırmalarıyla başlayan bilimsel ilerleyiş süreci, yaklaşık üç yüz sene öylesine yoğun geçmişti ki, bilim insanları bile ortaya çıkan gerçekliklerin haricinde doğanın herhangi bir saklı yüzünün kalmadığını düşünmekte haklıydılar.
Fakat elbette, işin aslı böyle değildi. Bunun böyle olmadığını gösterecek kişilerden biri de Cambridge'te Thomson'ın Cavendish Laboratuvarı'nda doktora öğrencisi ve asistanı olarak çalışan Ernest Rutherford idi. Rutherford, Thomson'ı elektronun keşfine götüren çalışmaları sırasında onun yanında bulunmuş, yardımcısı olarak çalışmıştı. Şimdi, hocasından aldığı bilim meşalesini daha ilerilere taşıyacaktı.
Protonların keşfinin kökenlerini 1815 yılında İngiliz kimyager William Prout'un tüm atomların hidrojenden yapıldığına yönelik iddialarına kadar takip etmek mümkündür. Prout, bunlara protiller adını vermiştir. Ancak Prout, bunu deneysel olarak doğrulayamamıştır. 1886 yılında Alman fizikçi Eugen Goldstein, katot tüpleri içinde pozitif yüklü parçacıklar olduğunu keşfetmiştir. Dahası Goldstein, tüm gazlar arasında hidrojenin yük-kütle oranının en yüksek olduğunu ve hidrojen iyonunun, iyonize gazlar arasında en ufağı olduğunu fark etmiştir.
Yüzyılın sonunda Marie Curie ve Pierre Curie, uranyum ve toryum elementleri üzerinde çalışmaya başladılar ve kısa zamanda bu elementlerin fiziğe yeni bir bakış açısı getirmeye gebe olduklarını anladılar. Uranyum ve toryumun kendiliğinden bozunma özelliği gösterdiklerini keşfettiler ve bu olaya "rakyoaktivite" ismini verdiler. Daha sonrasında polonyum ve radyumun da böyle bir özelliği olduğunu gözlemlediler. Radyoaktivite atomun keşfi sürecinde fizikçilerin çok işine yarayacaktı.
Bu anlamda Rutherford, fiziğin yeni alanıyla ilgilenmeye başladı. Rakyoaktivite özelliği gösteren rakyoaktif atomların bozunma süreci birtakım ışımalar yaparak gerçekleşiyordu. Rutherford, bu ışımaları kategorize etti: Işınları bir manyetik alanın içerisine gönderdiğinde kimisinin katot ışınlarıyla (elektronlarla) aynı yönde kimisininse ters yönde saptığını gözlemledi. Ters yönde sapma gösteren ışımaların elektrik yüklerinin katot ışınlarıyla zıt olması gerekirdi ve bu ışımaya alfa ismini verdi. Aynı yönde sapanlara ise beta dedi. Bir de manyetik alandan hiç etkilenmeyen ışıma türü vardı. Bunun yüksüz olacağını düşündü ve gama ismini uygun gördü.
Rutherford ve Protonun Keşfi
Rutherford, radyoaktivitenin sırlarını keşfetmeye çalışırken atomun yapısıyla ilgili ciddiye alınması gereken bir önerme geldi. 1903 yılında Japon fizikçi Hantaro Nagaoka, "Satürn Modeli" dediği bir atom tarifi yaptı. Ona göre elektronlar artı yüklü bir parçacık etrafında aynı düzlem üzerindeki dairesel yörüngelerde dolaşıyorlardı. Onun modeli ne derece kayda değer bulundu bilinmez; fakat 1909 yılında Hans Geiger ve Ernest Marsden, Rutherford'un laboratuvarında ve onun gözetiminde atomun yapısını çözmeye koyuldular.
1899 yılında Rutherford, havaya alfa parçacıkları ( veya ) gönderdiğinde, sintilasyon detektörlerinin hidrojen çekirdekleri tespit ettiğini gözledi. Yaptıkları deney, esas itibariyle çok basitti. Atoma alfa parçacıklarını fırlatacak ve içinde ne olduğunu öğrenmeye çalışacaklardı. Yapacakları deney, bir iğne yardımıyla bir şeftalinin içerisindeki çekirdeği incelemek gibi bir şeydi. İğneyi şeftaliye batırarak içindeki "çekirdek"i keşfedeceklerdi.
Deneyde alfa parçacıklarını elde edebilmek için bir radon kaynak kullandılar. Radyoaktif olduğundan kendiliğinden alfa ışıması gerçekleştirebilecek olan radon kaynağı, bir yüzünde küçük bir delik olan ağır metal bir kutuya yerleştirdiler. Böylelikle alfa parçacıklarını bir istikamette odaklandırabileceklerdi. Kutudan çıkacak olan alfa parçacıklarının tam karşısına 0.00006 cm inceliğinde bir altın levha yerleştirdiler.
Her şey neredeyse tamamdı; ama altın levhayla etkileşecek alfa parçacıklarının bu etkileşme sonucunda hangi yöne sapacağını tayin edebilmek gerekiyordu. Bunun için altın levhanın etrafını, üzerine alfa parçacıkları çarptığında ışınlar yayan çinkosülfit bir ekranla çevirdiler. Bu sayede ekrana çarpıp parlamaya neden olan alfa parçacıklarının ne kadarlık bir sapmaya maruz kaldıklarını kolaylıkla gözleyebileceklerdi.
Deney sonuçları oldukça enteresandı. Parçacıkların neredeyse tamamı çok küçük sapmalarla altın levha engelinden geçiyordu; fakat sekiz binde biri, hareket yönü ters istikamette değişecek şekilde yöneliyordu. Bir hayli düşük bir oranla da olsa, parçacıkların sanki bir yansıma yaparmış gibi geriye yönelmeleri Rutherford’u da fazlasıyla şaşırtmıştı. Sonucu şöyle yorumladı:
"Tıpkı bir peçeteye 15 inçlik bir mermi sıkmışsınız da mermi gerisin geri size dönmüş gibi."
Rutherford, meseleyi incelemeye koyuldu ve kısa zamanda deney sonuçlarını doğru olarak yorumlamayı başardı. Artı yüklü alfa parçacıklarının çok düşük bir oranda gerisingeri saçılması atomun ortasında küçük bir hacimde artı yükün yoğunlaşmasını gerektiriyordu. Bu yoğun kütleye çekirdek adını verdi. Alfa parçacıklarının yüksek bir oranda küçük açılı sapmalar göstermesi ise atomun çekirdek haricinde boşluklu bir yapıda olduğu gerçeğini gözler önüne seriyordu.
Rutherford alfa parçacıklarıyla çeşitli atomları bombardıman altına almanın daha başka keşiflere yol açabileceğini düşündü. Bu sefer alfa parçacıklarını nitrojen gazına yöneltti ve çinkosülfür ekranda alfa parçacıklarının haricinde hidrojen atomlarının ışımaya neden olduğunu gözlemledi. Hidrojen atomu ancak nitrojen atomlarından gelebilirdi ve bu durum nitrojen çekirdeklerinin hidrojen atomuna benzeyen artı yüklü parçacıklardan meydana geldiğini gösteriyordu. Bu parçacık daha sonraları "proton" olarak isimlendirilecekti.
Bu tepkimenin en önemli yanlarından birisi, tarihte bilinen ilk nükleer tepkime (çekirdek tepkimesi) olmasıdır. Bu tepkimenin formülü şu şekilde verilir:
Buradaki parçacıkları içerisinde 2 proton ve 2 nötron bulunduğu hatırlanmalıdır. ise bir protona karşılık gelmektedir.
Her element, atomunun yapısını belirleyen de çekirdek içerisinde sahip olduğu artı yüklü parçacık sayısıydı. Atom nötr yapıda olduğundan artı yüklü parçacık sayısı kadar da elektron sahibi olmalıydı.
