歐內斯特·盧瑟福即將去從事科學研究的單位是當時著名的劍橋大學卡 文迪許實驗室。這個實驗室成立不過 24 年，與盧瑟福同齡。它是在狄馮夏 爾·卡文迪許公爵資助下建立起來的。當時的主任是因揭示物質結構的奧祕 而早已聞名的湯姆生博士。
開始時，人們對這位頗有名氣的年輕人投入以極不信任的目光。有兩位大學職員，每次路過盧瑟福的房門時，總要吃吃地笑上幾聲。有一次，他們 在盧瑟福門前經過，盧瑟福請他們進去幫他解決工作中的一些困難。他的檢 波器在房間裏擺着，他們茫然地望着它，不知如何是好，因為他們從來就沒 有見過這一類東西。他們這才感到自慚形穢。從此以後，他們再也不來打擾 盧瑟福了。
盧瑟福初到劍橋大學時，仍然致力於赫茲波磁性檢波器的研究。1896年，湯姆生在倫敦皇家協會上宣讀了他與盧瑟福合寫的一篇論文：《通過高 頻放電使電磁化以及關於短鋼針效應的研究》。論文論述了在離發射源半英 裏的地方檢測無線電波的方法。同時，無線電波也通過了劍橋市人口稠密的 地區，因而，盧瑟福就表明了無線電波不僅適用於農村廣闊的空間，也適用 於大城市的繁華地區。
盧瑟福所使用的儀器都是他自己動手製成的。由此不難看出他作為一個實驗家的驚人技巧和耐力。 盧瑟福的發射機是由兩個大金屬片組成的，中間為金屬棒，兩端是相距約半英寸的磨光銅鈕。兩個銅鈕之間可使電火花通過。接收機設在大約半英里以外的地方，由兩個各長 2 英尺的金屬棒製成。連接它們的是纏成線圈的 優質金屬絲，中間放置着一束極細（直徑為 1 毫米的7％）的磁化鋼針。線 圈上附有一面與小磁體相連接的鏡子。當信號到達時，電火花在銅鈕之間通 過，鋼針就暫時失去磁性，磁體也隨之脱落，因此就使鏡子發生偏轉。盧瑟 福還成功地證明了這些信號也能通過磚、灰泥以及人體。這是應用科學中的 光輝成就。盧瑟福後來曾不無自豪感地指出，在馬可尼着手進行無線電報的 實驗之前（這些實驗以後曾導致無線電和電視的發展），他就已經進行了在 半英里之外來檢測從天線發出的信號的實驗了。
不久，盧瑟福的研究興趣從赫茲波的實驗轉向某些新的領域。很久以來， 湯姆生就進行着通過稀薄氣體放電的試驗。當大部分氣體已被抽出真空管 時，負電極（陰極）就發生奇怪的放電現象。這種放電起因於已知的陰極射線，即帶負電的粒子，也就是現在所稱的電子。湯姆生認為，既然磁場能使 這些射線發生偏轉，它們就決不是一般含義所指的“射線”。他很快證明， 電子的重量大約是氫原子重量的 1/1800。
湯姆生在稀薄氣體中輸送電荷時，由於儀器變得很熱而使電火花經常出 現，無法看清產生了什麼，也無法得到前後一致的結果。X 射線的出現徹底 改變了上述困難，它們使氣體具有更強的導電性，從而使電荷在較低的電壓 下通過氣體成為可能。湯姆生建議盧瑟福從事 X 射線及其對氣體效應的研 究。
盧瑟福立即投入了對 X 射線的研究。1896 年秋天，在不列顛學會（人們 有時稱它為“不列顛科學的議會”）上，湯姆生介紹了他與盧瑟福的研究成 果。他敍述了經過 X 射線照射後的氣體中，電傳導的研究工作。他們曾經發 現，這種氣體在 X 射線消失之後，仍然保持一段時間的導電性。
盧瑟福試圖鑑定鈾所放射的射線，並要弄清，它們在某些情況下，是否 可能與從其他來源獲得的射線有關。通過反覆地試驗他發現，鈾放射出來的 射線是多種多樣的，它們各以不同的方式受到磁力的作用，因此，有些明顯 地帶正電荷，有些帶負電荷，有些則根本不帶電荷。他用希臘文的頭 3 個字 母分別給這幾種射線取名，他把帶正電荷的叫做α射線，把帶負電荷的稱為 β射線，不帶電荷的叫作γ射線。不久，實驗證明，所謂γ射線，其實就是X 射線，因為它在活化即電離氣體時，具有與從其他來源獲得的 X 射線相同的效果。 盧瑟福的研究工作受到了湯姆生的熱烈讚許，不久，也使整個科學界為之轟動。
1898 年，盧瑟福開始研究一項與 X 射線有關的問題。他發現鋅板經過紫 外線的照射後，會放射出某些帶電粒子（離子）。通過多次實驗，他證明鋅 所放射的離子全部帶有負電荷，而這些離子正好與 X 射線穿過空氣時所放射 的離子具有相同的活動方式。他還推算出離子在兩片之間移動的精確速率。 盧瑟福的卓越成果使他躍居科學研究的前列。
卡文迪許實驗室聚集了一批聲名卓著的科學研究人員。他們常常在一起熱烈地爭論現代物理學上的許多問題，有時在室主任房間舉辦茶會，各抒己 見。盧瑟福給人的印象是：體魄健壯，精力充沛，謙虛而友善。他經常不分 晝夜地工作着，決不滿足於一知半解。
盧瑟福早期在劍橋度過的最後一些日子，主要用於鑑別鈾所放射的各種不同的射線。α射線、β射線和γ射線究竟是什麼，一時尚未徹底弄清楚。 γ射線很容易被認為是 X 射線的另一種形式，但其餘兩種，雖然起初也稱作 射線，但不久卻發現它們是由粒子構成的，因此，α粒子和β粒子就成為他 以後一段時期內主要的研究對象了。
正在此時，加拿大蒙特利爾的麥克吉爾大學到英國物色一名物理學教 授。實驗室很多研究人員躍躍欲試。儘管湯姆生先生捨不得放走盧瑟福這位 才華橫溢的年青助手，但他也不願從中作梗。他熱情地給麥克吉爾大學校長 寫推薦書：“在獨創性的科學研究中，我從未見過有比盧瑟福先生更加熱情 和幹煉有為的學生??我認為，不論哪個大學，若能請到盧瑟福先生去擔任 物理學教授，將是十分幸運的。”
麥克吉爾大學接受了盧瑟福擔任物理系教授。1898 年 9 月，盧瑟福登上 輪船橫渡大西洋。他深信自己能勝任未來的研究工作，並希望能夠指導助手和研究生的科學研究。他要繼續進行他在劍橋業已開始的種種探索。
由此可見湯姆生盧瑟福是導師和學生的關係、實驗室主任和研究員的關係、同事關係。
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