在以“辐射与量子”为主题的索尔维会议上，物理学界的精英们只关心了黑体辐射。但在他们视野之外，还有其它五花八门的辐射现象正引起其他物理学家的注意或困惑。
在19世纪，“辐射”是一个相当广义的概念，泛指所有可以向外发出“东西”的现象。除了常见的光、热辐射之外，还有一些看不见、也不能被人直接感觉到的辐射现象。
德国物理学家萊纳德发现光电效应，他所使用的阴极射线也是一种辐射。这种神秘未知的射线肉眼看不见，但它会激发荧光，在照相底片上留下斑点而显示其存在。这一魔术般的诡异曾经一度是物理学家向公众演示科学之神奇的道具。
1895年底，德国的伦琴（Wilhelm Rontgen）偶然注意到：在阴极射线管附近、但并不在射线路径上的照相底片也会曝光。伦琴认为还有另外的辐射存在，但他又不知道那是什么，就干脆将其命名为“X射线”。他无意中把手伸进了新射线的路径，竟发现他的手不能完全挡住射线，在底片上留下了手掌内的骨骼图像——原来，神秘的X射线具有透视功能。
伦琴随即拍摄了一组他妻子的手掌透视照片。1896年元旦，他将这些“毛骨悚然”的照片寄发给各地的同事和媒体，引起了巨大轰动。因为这个发现，他成为第一个诺贝尔物理学奖获得者。
伦琴用X射线拍摄的他妻子的手，照片上清晰显示出手掌骨骼和手指上的戒指.
伦琴的意外成功诱发了一个寻找、辨认射线的热潮。法国的贝克勒尔（Henri Becquerel）也想看看他所研究的铀矿石的辐射是否也是X射线。此前，人们普遍认为，无论是阴极射线还是各种矿石的荧光、磷光，它们都是因为吸收了外来光或电的能量之后才被激发产生的。贝克勒尔以为铀吸收了太阳光之后会延迟释放磷光——至少他当时这么认为。不巧，他的尝试碰上了巴黎持续阴天，没有阳光可用。无奈之下，他还是冲洗了底片。结果赫然：即使没有阳光照射，铀矿石照样在底片上留下了辐射影迹。
这是一个惊人的发现——铀矿石似乎是在没有任何外因作用下“自作主张”地发出了射线。很快，居里夫妇不仅验证了这一发现，而且还找到了更多能自发产生辐射的矿物。他们把这个新现象叫做“放射性（radioactivity）”。1903年，贝克勒尔和居里夫妇分享了诺贝尔物理奖。
有所不同，英国卡文迪许实验室的掌门人汤姆森爵士认为阴极射线管发射的射线不是“德国人”所以为的电磁波，他在他的学生卢瑟福协助下，最终确定那是电子，并因此赢得1906年诺贝尔奖。
汤姆森1884年接替瑞利男爵主持卡文迪许实验室，那时他才28岁，刚刚获得硕士学位，是一个出乎意料的人选。（瑞利领衔卡文迪许实验室只有五年，他急流勇退，辞职离开物理领域，专心于自己的兴趣。索尔维会议邀请了他，他没有与会.）汤姆森大胆改革，扩大实验室规模，大力扶植年轻人。他打破常规，不再只招收剑桥毕业的学生。1895年，最早的两个“外人”进入实验室，其中之一便是从新西兰远道而来的24岁的卢瑟福。
19世纪末卡文迪许实验室人员合影。前排正中是汤姆森，他后面站着卢瑟福。（汤姆森的左边是郎之万）
家境贫寒的卢瑟福从小聪明好学。大学期间，他就对赫兹发现的无线电波非常感兴趣，还动手组装过器件。进入卡文迪许实验室后，他很快制作出了新型的电磁波接收器，将无线电的传播距离增加到几百米。
他满怀信心，要以这个有着非凡实用价值的新技术改变自己的命运。导师汤姆森谆谆教诲他：作为科学家，你不能同时侍奉上帝和玛门（Mammon，代表财富和贪婪的假神）。受汤姆森的感召，卢瑟福选择了上帝和科学。不久，意大利的富家子弟马可尼（Guglielmo Marconi）后来居上，成为“无线电之父”——他不仅发了财，还赢得1909年诺贝尔物理奖。
汤姆森其实早就注意到阴极射线管有时会造成邻近的荧光屏闪亮，但他没有去探究，错失了首先发现X射线的机会。他和卢瑟福研究阴极射线，逐一排除阴极射线是“德国人”以为的电磁波的可能性，最终确定了阴极射线是电子流。
随后，卢瑟福开始自己的独立科研——探究贝克勒尔和居里夫妇发现的放射性。通过在射线路径上放置不同厚度的障碍，观察射线的穿透能力，他很快辨别出矿石的辐射既不是X射线，也不是阴极射线的电子，而是含有两种不同的未知射线。由于英文X已经被用了，他就用希腊字母将它们分别命名为阿尔法（α）和贝塔（β）射线。前者很容易被障碍物吸收，而后者的穿透能力要强得多（后来又有一种不同的射线被发现，便被称为伽玛（γ）射线）。
卢瑟福在卡文迪许实验室工作了三年，他的出色成绩足以让导师汤姆森推荐他获取加拿大麦吉尔大学的教授职位。这个远在天边的席位也让他永远地摆脱了贫穷的困境。
19世纪末的加拿大还是一个科学的莽荒之地。卢瑟福以汤姆森为榜样在那里建立实验室，召集了一拨年轻人。这些年轻人中，包刮一个也是来自英国的学化学的索迪（Frederick Soddy）。
卢瑟福因为他自己发现了一个新的放射性元素“钍”，他的注意力也随之从射线本身转向研究发生辐射的矿物。他收集了钍发生辐射后的遗留物，让索迪进行化学分析。索迪很快就发现那些遗留物的化学性质与钍完全相反，犹如惰性气体，是一种完全不同的物质。他们据此提出了放射性机制：不稳定的原子会破碎，其中小部分碎片通过射线被释放，剩余部分则变成不同的、更稳定的原子。在这过程中，一种元素转变成了另一种元素。他们把这个过程称作“嬗变（transmutation）”。
当年贝克勒尔和居里夫妇最早观察到放射性现象时，曾对这个不需要外界激发而能够持续释放能量的现象大惑不解，甚至幻想人类终于找到了取之不尽的新能源。但开尔文等人疑虑：它违反热力学基本定律，应该是不可能的。卢瑟福发现的嬗变表明放射性的能量并不是无中生有，更不会用之不竭。与其它普通燃料相似，放射性所具有的能量来自消耗不稳定的原子。随着放射性的进行，原有的不稳定原子会越来越少，直至最终耗尽。
根据测量、收集的大量放射性数据，卢瑟福总结出一个规律：无论是什么放射性物质，其辐射量都会随时间呈指数递减，表明矿物中“燃料”在消耗。并且，每过一定的时间，辐射量都会减低到原来的一半。这个特征时间后来被称为“半衰期（half-life）”。半衰期短的矿石会很快耗尽燃料；半衰期长则能长时间地保持辐射。
由于卢瑟福等人的工作，描述物质（原子）的性质又有了一个惊人的新概念——原子嬗变。
统计力学则是从宏观上研究物质系统的存在状态及其演化。19世纪末到20世纪初期，玻尔兹曼的统计力学已经炉火纯青，成为经典物理学不可或缺的一部分。即使最初有保留的普朗克也完全接受了这个理论。但让玻尔兹曼纠结不已的是原子的存在还无法被直接证实。那正是统计力学的基础。假如固体、液体、气体不是由分立的原子组成，统计力学就只是无的放矢——没有巨大数目的随机个体存在，从何来谈统计？
原子是否存在？与玻尔兹曼同在维也纳大学的著名物理学家、哲学家马赫（Ernst Mach）一派主张“逻辑实证（logical positivism）”。因为无法看到原子，这些人顽固地坚持原子不可能存在。玻尔兹曼同这些人进行了旷日持久的争论，在倍感身心俱疲的情况下，他曾经一度离开维也纳大学，直到马赫退休后才回来。但他心结依旧，无法解脱，身体健康每况愈下。在他辉煌的科学生涯渐入尾声之际，他甚至越来越担忧自己的毕生努力只怕是白忙了一场，毫无价值。最后，玻尔兹曼在1906年9月5日上吊自尽，而他过去的同事德鲁德在两个月之前也是非常出乎意料地自杀身亡。
原子其实是一个非常古老的概念。早在古希腊，哲人们设想原子是物质的最基本单位。这个思想在19世纪由化学家——尤其是英国的道尔顿（John Dalton）——赋予了科学的内涵：原子是化学元素的最小组成，恒定不变。相同或不同的原子可以组成各种各样的分子，并会在一定条件下重新组合——即化学反应。
尽管化学家们不怀疑原子的存在，但物理学家没有接受原子概念。他们对这个“化学家的原子”没有感觉：既无法确定其存在，也无从了解其物理性质。
还是爱因斯坦出手突破了这个障碍。1905年，爱因斯坦的第二篇论文解释了布朗运动。他指出生物学家早就观察到的花粉在液体中的随机运动是因为水分子或其它原子与花粉的碰撞，因此表明液体中原子、分子的存在。他运用统计理论计算了花粉运动的距离与时间的关系，提出了一个可以实际验证的结论。
三年后，法国的佩兰（Jean Perrin）仔细地测量了花粉的布朗运动，证实了爱因斯坦的预测。这是爱因斯坦发表的一连串理论预测中的第一个被获得证实。肉眼看不见的原子的存在也因之被广泛接受，不再存疑。但玻尔兹曼已经离世两年，没有看到这个结果。而佩兰后来因此获得了诺贝尔奖（他也参加了1911年的索尔维会议）。
1911年初，爱因斯坦去维也纳办理赴布拉格大学手续，借机拜访过马赫。马赫的逻辑实证哲学以及他对牛顿绝对时空观念的批判——这也是爱因斯坦大学期间的奥林匹亚科学院经常辩论的主题，对他后来建立狭义相对论有着深刻影响。爱因斯坦拜访时，马赫已经73岁，几乎完全失聪，无法深度交谈。当他指出假设气体由原子组成能得出与实验相符的结论，而若离开原子概念却不可能，这能否足以证明原子的存在？马赫很勉强地同意：那是一个可以接受的假设。
汤姆森相信原子的存在。在发现了比原子还小一千倍的电子后，他肯定电子是原子的一部分。因为电子带负电荷，他设想原子的其它部分应该带有正电，正负电荷相互抵消。于是，他在开尔文的启发下想象原子是一块类似英国人所熟悉的、叫做“布丁（pudding）”的甜点：某种带正电的未知物质是连绵的奶冻，中间镶嵌着一些小小的葡萄干便是电子。这便是第一个物理的原子模型。
汤姆森的阴极射线、萊纳德的光电效应等现象都表明电子在外力作用下可以从原子中逃逸出来，就像葡萄干被从奶冻中剥落。所以原子并不像希腊先哲所说的、也不像化学家所认为的那么坚固、恒定，不过卢瑟福提出一种原子可以整个地变成另一种原子的嬗变理论却还是令人不可思议。
人类在上千年中一直在寻找“点石成金”的可能，牛顿也曾痴迷于炼金术，但所有的尝试都失败了。19世纪的化学实验表明，作为元素的表征，原子有着固定的特质，不会变更。因此，卢瑟福和索迪同样遭受到指责。好在他们有坚实的实验证据，可以证明原子嬗变的确在发生。
在加拿大，卢瑟福的科研风生水起十来年，成就斐然。1907年，他回到英国成为曼切斯特大学的教授。早在100年前，道尔顿曾在这里孜孜不倦地埋头实验、奠定了原子论。
卢瑟福的“原子嬗变”获诺奖应该没有多大悬念，但在一年之后令他惊愕不已的是他得到的却是化学奖。与许多物理学家一样，卢瑟福认为只有物理才是真正的科学，其它学科，包括化学、生物等，都还只是在“集邮”。他感叹这些年来观察到了多种嬗变现象，没想到发生得最快的莫过于自己从物理学家嬗变为化学家。
（那年主持物理、化学诺贝尔奖审批的是瑞典化学家、他们“自己的”第一个诺贝尔奖获得者阿伦尼乌斯（Svante Arrhenius），他别出心裁，要炮制一个“原子年”主题。卢瑟福获化学奖与之有关.）
卢瑟福在关注放射性材料的嬗变的同时，没忘却射线本身。他很快辨识出β射线是与阴极射线一样的电子束，只是其能量更高一些。后来发现的γ射线则和伦琴发现的X射线都是与可见光、紫外线一样的电磁波，但频率非常高。至于带正电的α射线倒是很让他踌躇。他本来很早就猜想到那是失去了电子的氦原子，但一直苦于无法验证。回到英国之后，也就是在他获诺奖的前夕，他终于设计出一个精巧、简单的实验，一举成功，证实了α射线就是氦原子。在诺贝尔颁奖仪式上，他公布了这个重大发现。
氦元素最早是通过太阳光谱发现的，后来在铀矿石中找到——铀放射出的射线包含有α射线。相比于高能的β、γ射线，α射线没有太大的穿透力。但它的质量大得多，可以作为现成的高速原子束去与其它原子碰撞，从而探测原子之间的相互作用。卢瑟福对这个α射线情有独钟。他带着几个学生在曼切斯特又开始了繁复、系统的实验：用α射线轰击金箔，在各个角度上收集氦离子被金原子散射的数据。他的学生盖革（Hans Geiger）为此发明了著名的“盖革计数器（Geiger counter）”，直至今天依然是探测放射性的首选仪器。
1908年，卢瑟福（右）和盖革在曼切斯特大学的实验室里
实验使用的金箔非常薄，绝大多数的α粒子直线穿透，似乎毫无障碍。它们中只有少数被散射而偏离原来的方向。散射的角度越大，那里的粒子越少。
一天，卢瑟福灵机一动，指示学生重新安排仪器的布局，看看会不会有往反方向弹回来的α粒子。本来没有人觉得会存在这样的可能，但为严谨起见，他们调整方向观测，结果却令人目瞪口呆——还真有极少数α粒子被金箔反弹回来。
卢瑟福震惊之余意识到金箔中的原子不应该是他导师汤姆森心目中的布丁，因为带有小小葡萄干的奶冻不可能有这样的威力。不然，那就像是炮弹轰击一张手纸也有炮弹被反弹回来。
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