Rutherford và đội của ông tiếp tục nghiên cứu tán xạ hạt alpha của họ cho đến năm 1913, sử dụng các nguồn hạt alpha khác nhau và các lá kim loại khác nhau để tinh chỉnh những kết luận của họ. Khi đó, mô hình hạt nhân của nguyên tử đã được thiết lập vững chắc. Nhưng cái gì làm cho hạt nhân của một chất khác với hạt nhân của chất kia? Hai con số rõ ràng quan trọng là điện tích và khối lượng. Điện tích dương của hạt nhân tương ứng với nhân dạng của hạt nhân là một nguyên tố hóa học nhất định, hoặc chỗ nó nằm khớp trong bảng tuần hoàn. Khi bị bao quanh bởi một số electron bằng với điện tích đó, nó là một nguyên tử trung hòa, và các electron là nguyên nhân cho hành trạng hóa học của nguyên tử đó.

Lịch sử vật lí thế kỉ 20, tập sách đăng nhiều kì do HiepKhachQuay thực hiện

Khi Thế chiến thứ nhất bùng nổ vào năm 1914, nghiên cứu vật lí cơ bản là một trong những cái bị tổn thất do sinh viên bị gọi đi nhập ngũ hoặc phục vụ cho những nhiệm vụ thời chiến khác. Bản thân Rutherford cũng trở nên dính líu với việc dò tìm tàu ngầm, nhưng ông còn có thời gian để tiếp tục nghiên cứu trong phòng thí nghiệm. Ông quyết định theo đuổi một kết quả gây tò mò của Marsden, người đã bắn phá chất khí hydrogen với các hạt alpha.

Khi một hạt alpha va chạm với một hạt nhân cố định, nặng hơn, thuộc một nguyên tố kim loại, nó đổi hướng chuyển động nhưng mất ít năng lượng. Tuy nhiên, khi mục tiêu là chất khí hydrogen, thì cú va chạm tương tự như quả bi-a bị bắn bởi quả cầu nặng khác. Cả hạt alpha và hạt nhân hydrogen đều nảy ngược trở lại khỏi chỗ va chạm. Nếu nó là một va chạm gần như trực diện, thì hạt nhân hydrogen có thể bật đi ở tốc độ còn cao hơn cả tốc độ mà hạt alpha tới có được.

Lúc ấy, Rutherford bắt đầu gọi hạt nhân hydrogen là proton để ngụ ý rằng chúng là những hạt hạ nguyên tử cơ bản giống như electron. Hơn nữa, những thí nghiệm đó đã dạy ông cách phân biệt proton với các hạt alpha khi chúng đập lên màn hình dò tìm của ông. Khả năng ghi nhận proton sớm tỏ ra rất hữu ích. Khi Rutherford bắt đầu bắn phá chất khí nitrogen với các hạt alpha, ông phát hiện ra proton mặc dù ban đầu ông chẳng làm gì liên quan đến hydrogen. Kết luận của ông là va chạm đó đã làm cho hạt nhân nitrogen bị vỡ ra và giải phóng một proton. Kết luận đó nói chung là đúng, mặc dù các nhà khoa học không thể mô tả chính xác sự biến đổi hạt nhân mãi cho đến những năm 1920, ấy là như thế này: một hạt alpha (điện tích 2, khối lượng 4) kết hợp với một hạt nhân nitrogen (điện tích 7, khối lượng 14) tạo ra một proton (điện tích 1, khối lượng 1) và một đồng vị bền nhưng không phổ biến của oxygen (điện tích 8, khối lượng 17). Rutherford phát hiện ra proton chứ không phải hạt nhân oxygen.

Từ cái Ruterford quan sát thấy, dường như có thể nghĩ hợp lí là mọi hạt nhân được cấu thành từ các proton. Điều đó sẽ giải thích cho điện tích hạt nhân nhưng không giải thích được những khối lượng lớn hơn của chúng. Đồng thời cũng phát sinh câu hỏi cái gì đã giữ một hạt nhân lại với nhau. Hai hoặc nhiều proton trong một không gian hạn chế như vậy sẽ đẩy lẫn nhau với lực rất lớn. Một số nhà vật lí cho rằng hạt nhân có thể chứa một số nhất định những proton khác nữa và số lượng đó bằng số lượng electron, nhưng Rutherford không tán thành. Ông cho rằng một electron tích điện âm và một proton tích điện dương bên trong một hạt nhân sẽ hút lẫn nhau đủ mạnh nên chúng sẽ không thể chia tách, về cơ bản là hình thành nên một hạt trung hòa.

Năm 1920, ông đã lí thuyết hóa những “bộ đôi trung hòa” như thế là loại thứ ba thuộc những viên gạch cấu trúc nguyên tử cơ bản sau electron và proton. Ông gọi hạt được đề xuất này là neutron. Ông lưu ý rằng khối lượng của nó rất gần với khối lượng của proton. Như vậy, số nguyên tử của một đồng vị, cái xác định vị trí của nó trong bảng tuần hoàn, là số proton của nó, còn khối lượng nguyên tử của nó là tổng số proton và neutron của nó.

Đến tận năm 1932 thì neutron mới được phát hiện ra, và rất muộn sau này người ta mới hiểu loại lực đã liên kết hạt nhân lại với nhau, nhưng vào cuối thập niên thứ hai của thế kỉ 20, Rutherford đã mang lại sự mô tả chính xác thành phần cấu tạo của các nguyên tử: các electron bao xung quanh một nhân nặng nhưng rất nhỏ gồm các proton và neutron.

Có lẽ ông đã dùng từ hơi khác, vì các nhà vật lí lúc ấy nói đến các electron quay trong quỹ đạo – chứ không đơn thuần là bao quanh hạt nhân của chúng. Tuy nhiên, những phát triển trong lí thuyết lượng tử thuộc thập niên 1920 sẽ đưa các nhà vật lí đến một quan điểm mới về các quỹ đạo electron và bản thân electron.

Các nguyên tử trong chất rắn

Trong khi nghiên cứu của Ruterford liên quan đến từng nguyên tử, thì vật chất cấu thành từ nhiều nguyên tử tương tác lẫn nhau. Tính chất của các hợp chất có thể rất khác với tính chất của các nguyên tử tham gia hình thành nên phân tử chất đó, và tính chất của cùng một chất ở trạng thái lỏng hoặc rắn rất khác với tính chất của nó ở trạng thái khí. Ngày nay, các nhà vật lí nói tới vật chất hóa đặc để phân biệt các trạng thái rắn và lỏng, trong đó mỗi nguyên tử hay phân tử liên tục chịu ảnh hưởng của những láng giềng của nó, với chất khí, trong đó các nguyên tử hay phân tử chuyển động hầu như độc lập với nhau ngoại trừ khi chúng va chạm; nhưng trong phần lớn của thế kỉ 20, họ tập trung chú ý vào các chất rắn và chất lỏng. Sau các chương sau sẽ làm sáng tỏ, nghiên cứu trong cái sau này gọi là vật lí chất rắn đã mang lại một số thành tựu công nghệ đáng kể.

Theo nghĩa rộng, sự khác biệt giữa chất rắn và chất lỏng là sự sắp xếp các nguyên tử hay phân tử của nó. Đã lâu trước những năm 1910, điều đã rõ ràng đối với các nhà khoa học là đa số chất rắn hình thành nên những tinh thể. Đá quý và khoáng chất là những thí dụ nổi bật nhất, nhưng ngay cả muối thường và cát cũng có những cạnh sắc nhọn rõ ràng và có thể cắt (chẻ) theo những hướng nhất định dễ dàng hơn so với những hướng khác. Một số loại tinh thể khác đã được ghi nhận và mô tả theo hình dạng của mặt phẳng chia tách. Một số chất, thí dụ như thủy tinh, không có những hướng ưu tiên. Những chất này được gọi là vô định hình, nghĩa là “không có hình dạng”.

Điều thật hợp lí và tự nhiên là hãy giả sử hình trạng kết tinh của chất rắn phản ánh một khuôn mẫu đều đặn trong phương thức các nguyên tử hay phân tử của nó hợp lại với nhau và chất lỏng vô định hình thì không có tính đều đặn như thế. Cho nên các nhà vật lí bắt đầu tìm kiếm những công cụ cho phép họ khám phá sự sắp xếp bên trong các tinh thể. Họ cần cái gì đó nhạy với những thứ nhỏ cỡ khoảng cách giữa các nguyên tử trong chất rắn.

Cái gì đó ấy hóa ra là tia X. Năm 1912, nhà vật lí người Đức Max von Laue (1879–1960) chứng minh được rằng tinh thể sẽ làm nhiễu xạ, hay phân tán rộng ra, một chùm tia X. Khám phá của ông tương tự như khám phá năm 1801 của Thomas Young về sự giao thoa ánh sáng. Tia X đi đến chỗ được hiểu là sóng đện từ có bước sóng nhỏ cỡ kích thước của một nguyên tử. Dựa trên khám phá này, vị giáo sư vật lí người Anh William H. Bragg (1862–1942) và con trai của ông ta, William L. (Lawrence) Bragg (1890–1971) đã phát triển những kĩ thuật suy luận ra sự sắp xếp bên trong của các nguyên tử hay phân tử trong chất rắn kết tinh từ hình ảnh nhiễu xạ tia X thu được khi một chùm tia X đi qua chúng.

Các nhà vật lí nhanh chóng nhận ra tầm quan trọng của những khám phá này. Laue được trao giải Nobel Vật lí năm 1914, và cha con nhà Braggs thì vào năm sau đó.