卢瑟福得到新发现后，迫不及待地赶来告诉老师汤姆生。汤姆生在高兴之余决定派他去加拿大麦克吉尔大学担任物理系教授。1898年，他来到了加拿大麦克吉尔大学，在这里，他遇到一生中最好的合作伙伴——青年化学家索迪。四年后，他首次发现了放射性元素的半衰期，并确立了核素衰变理论“放射性既是原子产生的现象，又是新生物质化学变化的产物”，打破了元素不会变化的传统观念。
1905年，卢瑟福与博特夫德合作，利用放射性元素的含量及其半衰期，成功计算出太阳的寿命约为50亿年，开创了利用放射性元素的半衰期计算天体寿命的先河。
这一系列成就使卢瑟福在科学界名声大噪，但他没有被名利冲昏头脑，面对各大名校的巨额薪酬，他不为所动。1907年，他选择了试验条件较好的曼彻斯特大学继续他的射线研究。四年后，卢瑟福根据α粒子散射实验现象，正式提出“行星系式”原子模型。
1908年诺贝尔评审委员会授予卢瑟福诺贝尔化学奖。物理学家怎么获得了化学奖呢？卢瑟福得知后感到非常意外，还风趣地说：“我一生中研究了许多变化，但是最大的变化是这一次，我从一个物理学家变成了一个化学家。”其实，他的成就对化学研究和发展有着重大的意义，获得诺贝尔化学奖也属必然。
卢瑟福的一生继承了恩师汤姆生的伟大导师风范，培养出了玻尔、威尔逊等10位诺贝尔奖获得者，并发表论文215篇和多种理论专著种。鉴于他在科学上的巨大贡献，1931年，被封为纳尔逊男爵。1937年10月19日，卢瑟福因病在剑桥逝世，人们把他安葬在牛顿的墓旁，以表达对他无限的敬仰和怀念。
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