有核的原子
1900年以前，人们已经知道原子并不是一种简单而不可分割的粒子，它至少含有J.J.汤姆孙所证实的一种亚原子粒子——电子。J.J.汤姆孙认为，电子就像葡萄干似地附着在原子的正电荷主体上。
识别粒子
人们很快就发现原子中尚有其他粒子存在。当时A.H.贝克勒耳发现了放射性，他识别出由放射性物质所放出的某些辐射是由电子组成的，另外，也发现有另外的发射物。法国的居里夫妇和英国的卢瑟福发现一种穿透力较电子流小的射线，卢瑟福称之为α射线，并将电子发射命名为β射线。后一种辐射是由各自单独飞行的电子组成的，这些飞行电子被称之为β粒子。后来发现α射线也是由粒子组成的，这些粒子我们称之为α粒子。α和β是希腊字母的头两个字母。
同时，法国化学家维拉德也发现了第三种形式的放射性发射，并依希腊字母的第三个字母命名为γ射线。γ射线很快被证实为一种类似X射线的辐射线，但γ射线波长较短。
卢瑟福由实验得知，磁场中α粒子受到的偏转远小于β粒子，同时这两种粒子的偏转方向也相反；因此，α粒子带有一个正电荷，它与电子所带的一个负电荷正好相反。从偏转量我们可以计算出α粒子的质量至少为氢离子的两倍，氢离子是目前所知带有最少正电荷的粒子。偏转量受粒子质量和电荷所影响，如果α粒子的正电荷等于氢离子的正电荷，那么质量就应该是氢离子的两倍；如果它的电荷为氢离子的两倍，那么质量就应该有氢离子的4倍，依此类推。
图7-1 粒子受磁场影响的偏转情形
1909年，卢瑟福以隔离α粒子的方法解决了这个问题。他把一些放射性材料放在一支薄壁玻璃管内，外面再加一支厚壁的玻璃管，两者中间为真空。α粒子可以穿透内层的薄壁玻璃管，但不能穿透外层的厚壁玻璃管。比方说，它们从外层的管壁反弹回来，在反弹中，能量损耗，不能再穿透薄壁，于是就陷在厚薄壁之间。然后，卢瑟福以放电的方法激发α粒子使之发光，结果呈现氦的光谱线（很明显，土壤中放射性物质所产生的α粒子是天然气井中氦的来源）。如果α粒子是氦，那么它的质量一定是氢的4倍，且正电量等于两个单位（以氢离子的电量为一单位）。
不久之后，卢瑟福又辨认出原子中还存有另一种正粒子。其实，这种粒子在许多年前就已被探测到，只是未被认出。1886年，德国物理学家E.戈德斯坦使用具有有孔阴极的阴极射线管，发现了另一种新的辐射线，此种辐射穿过阴极的孔，方向却和阴极射线本身相反，被称为沟道射线。1902年，此种辐射首次应用于探测地上光源的多普勒－斐索效应上（见第二章 ）。德国物理学家斯塔克安置了一种分光镜，使射线射向它而显示出紫位移。因为这项研究，他在1919年荣获诺贝尔物理学奖。
因为这种射线的运动方向与负电荷的阴极射线相反，所以J.J.汤姆孙建议将此种射线叫做阳射线。因为阳射线的粒子能够轻易地穿过物体，所以被认为这些粒子的体积远小于一般的离子或原子。它们在磁场的偏转量表明这些粒子中最小的粒子具有与氢离子相同的电荷与质量（假设氢离子载有最小单位的正电荷）。因此，阳射线粒子被推断为基本正粒子——电子的对等物。卢瑟福将此种粒子命名为质子，源自希腊文“第一”之意。
虽然质子的质量是电子的1836倍，但质子和电子确实载有等量的相反电荷，而原子似乎就是由质子和电子所组成，且电荷互相平衡。再者，电子能够轻易地脱离原子，而质子则不能，所以质子似乎是在原子内部。然而最大的问题是：这些粒子在原子内部所形成的结构是什么样子呢？
原子核
卢瑟福自己首先寻求答案。在1906年和1908年间，他不断地用α粒子轰击金属箔，例如金或铂的薄片，以探测金属的原子结构。结果射出的α粒子大部分直接穿过金属箔，丝毫没有偏转，就像子弹穿过树叶一般。但并非全部α粒子都是如此，卢瑟福发现在金属箔后面用做靶的感光板上，有一些意想不到的散射点散落在中心点四周，还有一些粒子反弹回来！就好像子弹不仅没有穿过树叶反而被坚硬物给弹回一般。
卢瑟福断定，射出的α粒子撞到了某种致密的核，且此核占原子体积中非常小的部分，其他大部分体积看来是被电子所占据。当α粒子撞击金属箔时，通常只是撞到电子，将这种轻粒子撞向一边而本身前进方向并未偏转。但是，当α粒子偶尔撞到原子较致密的核时就会偏转。因为当射出的α粒子穿过金属箔时必定会碰到数千个原子，所以，偏转现象的偶尔发生说明原子核必定是非常小的。
因此，推测坚实的核由质子所组成是非常合理的。卢瑟福将质子描绘成挤在原子中心的极小的原子核内。后来证实，原子核的直径略大于原子直径的1/100000。
以下就是原子的基本模型：载有正电的原子核，仅占原子体积的极小部分，却几乎包含了原子的全部质量，它的四周被电子所包围，电子几乎占据了原子的全部体积，可是几乎不包含原子的多少质量。由于在物质基本性质方面卓越的开创性的工作，卢瑟福于1908年获得了诺贝尔化学奖。
现在可以用更明确的术语来描述具体的原子及其行为。例如，氢原子只拥有单一的电子，如果将这个惟一的电子移走，剩下来的质子马上就会附着到某个邻近的分子上去。但是当这赤裸的氢原子核无法如上所述地找到一个电子与之共享时，它就像一个质子——也就是说一个亚原子粒子——那样起作用。在这种形式下，它可以穿透物质，并且如果能量足够的话，也可与其他原子核反应。
氦拥有两个电子，要放弃一个并不容易。正如我在前章中所说的，它的两个电子形成一封闭的壳层，因此此原子是惰性的。如果氦将两个电子都失掉，它就变成了一个α粒子——也就是说，一个拥有两个单位正电荷的亚原子粒子。
第三个元素锂，在它的原子内有三个电子，移去其中的一个或两个，它就成了离子。如果三个全部被移走，那么它也成为一赤裸的原子核，此原子核带三个单位正电荷。
因为原子整体而言是中性的，所以原子核所拥有的单位正电荷数正好等于原子在正常状态下所拥有的电子数。事实上，元素的原子序数就是以原子的单位正电荷数建立起来的，而不是依据负电荷数。这是因为原子的电子数在离子的形成过程中很容易改变，而要改变原子的质子数却非常困难。
这个原子结构的模型刚一完成，新的难题便产生了。除了氢原子外，单位正电荷数并不能平衡核的质量。例如氦原子核有两个正电荷，却拥有氢原子核的4倍质量，此问题愈往元素周期表后面愈严重。当到铀元素时，它拥有238个质子，却只有92个正电荷。
一个包含4个质子的原子核（就拿氦的粒子来说），怎么会只有两个单位的正电荷呢？最初，也是最简单的猜测，认为原子核内的两个单位正电荷被重量可忽略不计的带负电荷的粒子所中和。自然，首先想到的是电子，如果我们假设氦原子核是由4个质子和2个中和正电荷用的电子所构成，最后留下2个净单位正电荷，那么这个迷惑就可以解决了。依此类推，铀原子核内有238个质子和146个电子，净正电荷量为92单位。这整个构想在放射性核发射电子（即β粒子）的事实下，更加受到人们的支持。
这个观点流行了10多年，直到另一个更好的答案间接由其他研究得到后才被推翻。然而在这个观点流行期间，对此假说就提出了坚决反对的意见。例如，其中之一认为，假如原子核真的是由质子和对质量毫无影响的电子所组成，那么为什么不同原子核间的相对质量不成整数呢？根据已测出的原子量，氯原子核的质量是氢原子核的35.5倍，难道氯原子核含有了35.5个质子吗？从来没有一个科学家能够接受半个质子的观点。
事实上，这个特殊问题在主要争论解决之前早已有了答案，这本身就是个有趣的故事。
同位素
均匀的构造块
早在1816年，英国物理学家蒲劳脱认为，所有的原子都是由氢原子构成的。然而随着时间的推移及原子量的测定，蒲劳脱的理论就被搁置，因为人们发现许多元素的原子不是整数（取氧的原子量16作为标准），氯的原子量为35.453。其他的例子如锑为121.757、钡为137.34、硼为10.811、镉为112.40。
19世纪末及20世纪初出现了许多令人迷惑的观察结果，用来解释原子量为什么不是整数的问题。英国科学家克鲁克斯（即发明克鲁克斯管的那个人）从铀中分离出数量很小的一种物质，且证实远较铀本身更具有放射性。他认为铀本身不具有放射性——只有他称之为铀X的这种杂质才有。在另一方面，贝克勒耳发现，纯化的放射性微弱的铀莫明其妙地随着时间的推移而增加其放射性。将它放置一会儿后，活性的铀X就能一次又一次地从中提取出来，也就是说，铀能够通过本身的放射性转变成更具活性的铀X。
卢瑟福同样的也从钍中分离出一种强放射性的钍X，并且发现钍也不断地产生出更多的钍X。最负盛名的放射性元素镭衰变成放射性气体氡的事实早为人知。所以卢瑟福和他的助手化学家索迪得出以下的结论：放射性原子在放出粒子的过程中，本身都会转变成他种放射性原子。
化学家开始找寻这类的转变，得到了多种新的物质，分别命名为镭A、镭B、新钍-Ⅰ、新钍-Ⅱ和锕C……等等。这些物质依原子祖系组成三个系列：第一个系列是由铀衰变所产生的；第二个是钍衰变所产生的；第三个则是由锕衰变所产生的（后来证实锕的前身是钋）。这三个系列合计共有40个成员，都有各自特殊的辐射形式，但是这三个系列的最后产物都一样：每一个系列的物质链最后均衰变成相同的稳定物质——铅。
很明显，这40种物质并非是各不相干的化学元素。在周期表中，铀-92和铅-82之间只有10个位置，其中除了有两个未知之外，其他皆是已知的元素。化学家发现，虽然这些物质的放射性不同，但事实上，其中部分物质的化学性质却完全相同。例如，早在1907年，美国化学家麦科伊及W.H.罗斯证实放射性钍——钍的衰变产物之一，所表现的化学性能和钍完全一样，而镭D的化学性能也和铅一模一样，事实上，镭D即通称的放射性铅。这些说明，我们所讨论的物质实际上都是某种元素的不同形式，例如，放射性钍是钍的一种形式，放射性铅则是铅族中的一员等等。
1913年，索迪将这种想法做了清楚的描述，并进一步发展了这一想法。他证明当1个原子放出1个α粒子时，会转变成周期表中位于其前两个位置的元素，若放出1个β粒子，则转变成后一位置的元素。在这基础下，放射性钍的确应放在周期表中钍的位置。被称为铀X1和铀Y的物质也是如此：这三种物质是第90号元素的变种。同样，镭D、镭B、钍B和锕B亦是第82号元素的变种，在周期表中共占铅的位置。
索迪将周期表中占同一位置的家族的成员，命名为同位素（源自希腊文“相同位置”之意）。他在1921年得到诺贝尔化学奖。
原子核的质子-电子模型（最后证明是错的）能够完美地适合索迪的同位素理论。从核中移去1个α粒子将减少核中的2个正电荷——所以从周期表中移前两个位置是必要的。另一方面，从核中放出1个电子（即β粒子），将留下1个额外的未中和质子，于是核的正电荷增加1个单位，结果使原子序数加1，所以此元素在周期表中的位置移右1位。
钍是如何经过三次衰变（并非一次）而形成放射性钍的呢？再者，生成物依然是钍吗？在整个过程中，钍原子失掉1个α粒子、1个β粒子，最后再失掉第二个β粒子。如果我们承认质子构造块说，钍原子总共失掉4个电子（两个假设在α粒子中）和4个质子（实际情形和现在所述并不相同，但并不影响结果）；钍原子核开始时有232个质子及142个电子（假设）。失去4个电子及4个质子后，只剩下228个质子及138个电子。前述的任一个情形中，未平衡的质子数——232减142，或228减138——都是90，原子序数依然和以前一样。所以放射性钍像钍一样有90个电子环绕在原子核周围。因为原子的化学性质受行星式电子数所控制，所以钍及放射性钍的化学性能除了原子量（232对228）之外完全相同。
元素的同位素是以原子量或质量数来区别的，因此，一般的钍叫做钍-232，而放射性钍叫做钍-228。同样地，铅的放射性同位素族有铅-210（镭D）、铅-214（镭B）、铅-212（钍B）及铅-211（锕B）等等。
同位素的观念也能应用在稳定的元素上，就像放射性物质一样。例如前文说过的三个放射性系列以铅的三种不同形式结束放射过程：铀系以铅-206结束，钍系以铅-208结束，而锕系则以铅-207结束。每一种都是铅的“正常的”稳定同位素，但是这三种铅的原子量各不相同。
稳定同位素的存在是J.J.汤姆孙的助手阿斯顿所发明的一套设备证实的。此设备利用同位素离子对磁场偏转的差异，非常灵敏地将各种同位素分离，阿斯顿称之为质谱仪。1919年，汤姆孙利用这种仪器的早期机型，证明氖是由两种不同的原子所组成：一种质量数为20，另一种则为22。氖-20是一般的同位素，氖-22则是以1/10的比例混杂在氖-20中（后来第三种同位素氖-21也被发现，含量约是大气中氖的1/400）。
现在，无论如何元素原子量不为整数的原因已经清楚了。氖原子量20.183，代表自然中氖的3种同位素的混合质量。每种原子各有1个整数的质量数，但是平均质量数——原子量——就含有小数了。
阿斯顿继续证实了一些平常稳定的元素确实是同位素的混合物。他发现氯（原子量35.453）是由氯-35及氯-37以3比1的丰度比组成的。阿斯顿于1922年获得诺贝尔化学奖。
在颁奖典礼的演讲中，阿斯顿明确地预报了运用原子核内所蕴藏的能量的可能性，并且预见了核能发电厂及原子弹的存在（见第十章 ）。1935年，加拿大血统的美国物理学家登普斯特运用阿斯顿的设备进行研究，沿这一方向迈进了一大步。他证实，1000个铀原子中有993个铀-238，其余的7个是铀-235，这个重要的发现很快就为人所了解。
因此，经过1个世纪的错误探索后，蒲劳脱的观点终被证实为正确的。元素确实是由结构均匀的构造块所建立起来的——如果不是由氢原子所建立的，至少也是由具有氢原子质量的单位所构成。过去元素的重量不能证明这一点的原因是因为元素是由含不同数目构造块的同位素所组成的。事实上，即使是用做测量元素相对重量标准的原子量为16的氧，也并不是完全的纯物质。在一般氧-16的每10000个原子当中，有20个原子量为18个单位的同位素及4个原子量为17个单位的同位素。
事实上，有一些元素是由单一的同位素所构成的（这个名称用的不当，我们说一种元素仅有一种同位素，就好像说一位妇人生了“单一双胞胎”一样）。这类元素包括：铍，所有原子的质量数均是9；氟，仅由氟-19所构成；铝，仅有铝-27等等。具有特殊结构的原子核称做核素，这一名称是美国化学家科曼1947年提出的。我们可以正确地说：像铝一样的元素是由单一核素构成的。
示踪粒子
自从卢瑟福证实了第一个核粒子的存在（即α粒子）后，物理学家们便埋头于探索原子核，试图将一种原子变成另一种原子，或者将它分解以便观察其结构组成。起初他们只有α粒子可供使用，而卢瑟福则对它加以充分地利用。
卢瑟福及其助手所做的许多有效实验中，有一个是将α粒子发射到涂有硫化锌的屏上。每一次撞击都产生一极小的闪烁（这是克鲁克斯于1903年首先发现的效应）。因此，当每一粒子到达时，都能观测到，而且可以用肉眼数之。在进行这项技术时，实验者放置一金属盘阻止α粒子到达屏上，则闪烁就会停止。当我们用此种装置以氢做实验时，屏上仍出现闪烁，不受金属盘的影响。再者，这些新的闪烁外表上与原先由α粒子所产生的不同。既然金属盘会阻止α粒子，那么必有一些其他辐射穿透金属盘到达屏上。一般认为，此辐射必定是由快速质子所构成。换言之，α粒子笔直地撞击氢原子核（记着，核内只有1个质子），并且使之倾侧向前，就好像一个台球一样，当撞击另一球时，可将另一球撞向前。这个受撞的质子，相对地非常轻，以高速向前射出，因此能穿过金属盘，撞上涂有硫化锌的屏。
由闪烁探测单个粒子的存在，是闪烁计数器的一个例子。在做这样的计数时，卢瑟福及其助手首先必须在黑暗中坐等15分钟，使眼睛能够适应黑暗，然后再做费力的计数。现代的闪烁计数器不靠人的眼睛和记忆，将闪烁转换成电脉冲，用电子计数，最后的结果只需从面板上读取即可。
闪烁数很多时，此种记数法更为适用，可以利用电路的设计使其以2比1或4比1（或更大的比例）记录下来。这种定标器（就是按比率减少计数的次数），是1931年英国物理学家温-威廉斯首先设计的。自第二次世界大战以来，有机物已取代了硫化锌，并且已经证实效果更佳。
卢瑟福原先的闪烁实验，有一意想不到的发展。当他以氮取代氢做为α粒子轰击的靶时，硫化锌屏依然有闪烁出现，就像质子所产生的一模一样，卢瑟福只能下这样的结论：α粒子的轰击将氮原子核内的质子撞了出来。
为了找寻上述现象的原因，卢瑟福转而采用威尔孙云室，这套设备是苏格兰物理学家威尔孙于1895年所发明的。这是一个装有活塞的玻璃容器，里面充有湿度饱和的空气。当活塞往外拉时，空气因急剧膨胀而冷却。在这种低温下，空气中的水蒸气呈过饱和的状态，此时任何带电粒子都会使水蒸气凝结其上。如果一粒子从云室中穿过，使其原子电离，则一串雾状的液滴将显示出粒子的径迹。
径迹的性质使我们对粒子有更多的了解。质量轻的β粒子留下一模糊而摇摆不定的径迹，此粒子即使是通过电子附近也会因电子的排斥而摇摆。质量庞大的α粒子则产生一笔直而粗的径迹，如果α粒子撞到了原子核而反弹回去，径迹会明显地弯曲。如果α粒子获得两个电子变成中性氦原子，径迹即消失。除了利用云室内粒子径迹的大小及特性来判断粒子的种类之外，尚有其他的方法可判断。粒子对外加磁场的反应可以分辨出粒子是带正电或负电，径迹弯曲的幅度亦可说明粒子的质量及能量。现今的物理学家对各类径迹照片都非常熟悉，看到照片就好像看到文字说明一样的清楚。威尔孙因为发明云室而得到1927年的诺贝尔物理学奖。
云室自发明以来，已多次改进，而且许多“姊妹”设备也已发明。原始的云室在膨胀后必须重新调整方可使用。1939年，朗斯多夫在美国发明了一种扩散云室。在扩散云室中，热的酒精蒸汽会扩散到一较冷的区域，如此即能经常保持一过饱和的区域，因而可以连续地观察粒子的径迹。
随后又有一种原理相似的设备——气泡室出现。在这种设备中，使用受压的过热液体而不使用过饱和气体。带电粒子的径迹是以液体中的一连串蒸汽气泡，而不是以蒸汽中的一连串液滴来显示的。这是由美国物理学家格拉泽所发明的。人们推测他是在1953年通过研究一杯啤酒而得到这一想法的，如果真是这样，对他及对物理界而言，这真是一杯幸运的啤酒。格拉泽由于发明了气泡室而于1960年获得诺贝尔物理学奖。
最早的气泡室直径只有几厘米，在发明后的10年间，一般使用的直径长1.83米。气泡室如同扩散云室一样能够连续地操作除此之外，因为在一定的容量中液体中的原子比气体中的多，所以气泡室可产生较多的离子。因此，气泡室较适合于研究快速及短寿命的粒子。在它发明的10年中，气泡室每星期可制造数十万张的照片。超短寿命的粒子是在20世纪60年代被发现的，若无气泡室，很可能就无法探测到它们了。
由于单一质子的氢原子核是如此简单，可以使复杂性降至最低，所以液态氢是充填气泡室的一种最佳液体。1973年，在伊利诺州的惠顿建立了一直径为4.57米并含有7300加仑液态氢的气泡室。有些气泡室则用液态氦。
虽然和云室相比，气泡室对短寿命的粒子更灵敏，但也有它的缺点。它不像云室那样可捕捉我们想要的事件作为实验重点，而必须将一切全部记录下来，然后从多不胜数的径迹中找出有意义的几条来。因此人们在寻找一种既具气泡室灵敏性又具云室选择性的探测径迹的方法。
此种需要终于由火花室的发明而得到满足。在火花室中，接踵而来的粒子使气体电离化，而且通过氖气（氖气中有许多交叉的金属板）放出电流，电流发出一连串可见的火花，显示出粒子通过的情形。此设备可调整到只对研究中的那些粒子起反应。第一台实用的火花室是由日本的物理学家福井三郎及宫本小太郎于1959年建立的。苏联物理学家做了进一步的改进，提高了其灵敏性及灵活性。这种火花室制造出的短流光，若持续观察，即形成一条连续的线（而不是火花室那种分离的火花）。这个改进后的装置于是被称做流光室，它能探测到室中发生的事件及在任何方向迅速形成的粒子，而原来的火花室在这两方面都无法做到。
元素的嬗变
暂且搁下现代在研究亚原子粒子飞行方面的发展，我们回到半世纪前，看看卢瑟福在最初的威尔孙云室中，以α粒子轰击氮原子核时，究竟发生了什么事情。α粒子会留下突然以分叉状结束的径迹——简言之，就是和氮原子核碰撞。叉状火花中，较细的一支代表打出去的质子；另一支则较短且粗，代表剩下的氮原子核的径迹，它在碰撞中反弹回来。但是我们却没有发现α粒子本身均踪迹，似乎是被氮原子核吸收了。这一推测后来由英国物理学家布莱克特加以证实。据说他在收集8次这样的碰撞过程中拍摄了超过20000张的照片（这确是非凡的耐心、坚强的信念和顽强的毅力的一个范例）。由于此项努力以及在核物理方面的其他工作，布莱克特于1948年获得诺贝尔物理学奖。
现在可以对氮原子核的命运加以推断了。当它吸收了α粒子后，它的质量数由14增加到18，正电荷数也由7增加到9。但由于这种结合很快地会放出1个质子，因此，质量数降为17，而正电荷数降为8。现在，带有8个正电荷的元素是氧，而质量数17则属于同位素氧-17。换言之，卢瑟福于1919年已使氮嬗变成氧。这是历史上最先由人工所完成的元素嬗变。虽然炼金术士以他们的技术无法预见或重复这种方法，但他们的梦想终被实现。
正如抛射体一样，出自放射源的α粒子也有其局限性：它们几乎没有足够能量闯进重元素的原子核中，因为重元素的高正电荷对于带正电的粒子有着强烈的排斥作用。但今日原子核的壁垒已被轰破，而且能量更大的轰击将接二连三地到来。
新粒子
轰击原子核的事情使我们回到原子核本身的构造问题。虽然原子核结构的质子-电子理论能完满地解释同位素，却与某些事实冲突。亚原子粒子通常都有自旋的特性，就好像天体绕着自己的轴旋转一样。我们选取测量自旋的单位时，要使质子和电子有+½或−½的自旋。因此，若原子核内束缚偶数个电子或质子（或两者），则原子核的自旋为0或某一整数——+1，-1，+2，-2……等等。如果是由奇数个电子或质子（或两者）所构成的原子核，则总自旋应为一半整数，如+½，−½，+1½，−1½，+2½，−2½……等等。假如试将偶数个正或负的半整数相加（或混合相加），然后将奇数个的同样相加，就可知道必定会有上述的结果。正巧，氮原子核的电荷为+7，质量为14，由质子-电子理论可知，氮的原子核必须有14个质子以符合质量，且有7个电子以中和7个正电荷，最后留下7个正电荷。在此核中的粒子总数为21，所以氮原子核的总自旋应为一个半整数，然而事实上并非如此，它是一个整数。
这种矛盾在其他的原子核中也有，似乎质子-电子理论有些行不通了。然而只要质子和电子是已知仅有的亚原子粒子，科学家们就难以找出一种替代的理论。
中子
然而，就在1930年，两位德国物理学家博特和贝克尔提出报告说，他们已经从核中释放出一种具有不寻常穿透力的神秘新辐射。他们是用α粒子轰击铍原子时放出这种辐射的。而在这年之前，博特已经设计出将两个或更多个计数器连接在一起使用的方法——符合计数器。这些计数器能够辨认出百万分之一秒内发生的若干核事件。因为这个成就及其他方面的努力，他于1954年得到诺贝尔物理学奖。
两年后，继博特及贝克尔的发现，又出现了法国物理学家F.约里奥-居里及I.约里奥-居里（后者是居里夫人的女儿）的发现。他们从铍中得到的新辐射去轰击石蜡——一种由碳和氢所组成的蜡状物质，而将质子从石蜡中撞击出来。
英国物理学家查德威克很快就提出，此种辐射是由粒子组成的。为了确定其大小，他利用它们去轰击硼原子，然后从新原子核质量的增加算出此种加到硼原子的粒子的质量约等于质子的质量。然而此种粒子并不能由威尔孙云室探测出来。查德威克认为唯一的解释是这种粒子一定是不带电荷的（一未带电的粒子不能电离其他的原子，所以在云室中没有水滴凝结）。
因此，查德威克下结论说，一种全新的粒子出现了——与质子质量相当却不带电荷的粒子，也就是说，呈电中性。这种粒子存在的可能性在查德威克证实以前曾经有人提出过，并且命名为中子，查德威克接受了这个名字。由于发现中子，使他在1935年获得诺贝尔物理学奖。
此种新粒子马上解决了理论物理学家在原子核的质子-电子模型中的某些疑问。德国物理学家海森伯宣布：原子核是由质子和中子（而不是由质子和电子）组成的。这是一个比较令人满意的说法。因此，氮原子核可视为由7个质子及7个中子所构成，结果质量数为14，总电荷（原子序数）为+7。再者，核中的粒子数为14——一个偶数——而不是稍早认为的21（一个奇数）。因为中子就像质子一样，也有一自旋+½或−½，因此，质子数及中子数的和为一偶数，使氮原子核的自旋等于一整数，并且符合观察到的事实。事实上，所有不能用质子-电子理论来解释具有自旋的原子核，都可以用质子-中子理论加以解释，证明具有自旋。原子-中子理论提出后马上被接受且沿用至今，终究原子核中是没有电子存在的。
更进一步地说，此种新模型也像旧的一样，能将元素整齐地填入周期表中。例如，氦原子核若是由2个质子和2个中子所构成，则可解释为何质量为4、核电荷却为2个单位。此外，这个概念能以非常简单的方式解释同位素。例如，若氯-35的原子核是由17个质子及18个中子所构成，而氯-37的原子核是由17个质子及20个中子所构成，则二者有相同的核电荷，至于较重同位素的额外重量，主要是由多出来的两个中子所造成。同样地，氧的三种同位素也只是差别在中子数罢了；氧-16有8个质子和8个中子；氧-17有8个质子和9个中子；氧-18则有8个质子和10个中子（图7-2）。
图7-2 氧-16、氧-17、氧-18的原子核构造。它们都含有8个质子，并分别有8、9、10个中子
简而言之，每种元素都可以简单地以原子核中等于原子序数的质子数来表示。除氢以外，所有元素的原子核中都有中子的存在，而且一个核素的质量数是其质子和中子之和。因此，中子和质子一起成了物质的一种基础构造块。为了方便，中子和质子合称为核子，这个名词是丹麦物理学家莫勒1941年首先使用的。从核子衍生出核子学。这个新名词是美国工程师Z.杰弗里斯1944年提出的，表示所有原子科学和技术的研究。
由于对原子核的结构有了新的认识，使得核素有了进一步的分类。就像前文所说过的，凡具有相同质子数的核素就叫做同位素；同样，具有相同中子数的核素（例如氢-2和氢-3，每个原子核中含有一个中子），称做同中子素；具有相同核子数的核素，当然具有相同的质量数——例如钙-40和氩-40——称做同质异位素。
原子核结构的质子-电子学说，在一开始时就没有解释为什么放射性核能放出β粒子（电子），然而，如果原子核中没有电子，那么电子又从何而来呢？但是这个问题已经弄清楚了，下面我就简要地谈一谈。
正电子
在一个非常重要的方面，中子的发现使物理学家感到失望。他们曾认为宇宙只是由两种基本粒子构成的——质子和电子，而如今却多出了第三种粒子。对科学家而言，舍弃简易总是让人感到遗憾。
最糟糕的是，事实证明，这只不过是个开端罢了。更多的粒子不断地被发现，使得简单化理论很快就溃不成军。
物理学家曾花了多年时间研究来自空间的神秘的宇宙射线，这是奥地利物理学家V.F.赫斯1911年乘气球在大气层中高飞时首先发现的。
这种辐射的存在是由一简单的设备测定出来的。这套设备是如此之简单，对于那些认为现代科学只有靠极其复杂的设备才能进步的人而言，实在是令人振奋。这套设备就是验电器，构造是将两片金箔附着在一金属杆上，然后再将此金属杆放到装有窗户的金属外罩中（这套设备的前身远在1706年就由英国物理学家霍克斯比造出）。
如果此金属杆充以静电，那么此两片金箔就会彼此分离。理论上，这两片金箔会彼此永远分离，但实际上金箔周围大气中的离子会慢慢地传导电荷，因此箔片也会渐渐地靠近。高能辐射——比如X射线，γ射线或其他带电粒子流——造成了使金箔漏电所必需的离子。即使屏蔽良好的验电器，仍然会有慢漏的情形，表示有一种和放射性并不直接有关但具有穿透力的辐射存在。V.F.赫斯在大气中飞得越高，这种具穿透力的辐射密度就越增加。由于这个发现，V.F.赫斯得到了1936年的诺贝尔物理学奖。
美国物理学家密立根收集了很多有关这种辐射的资料（并命名为宇宙射线），他断定这种辐射一定是电磁辐射的一种形式。宇宙射线贯穿本领很强，部分甚至能穿透几米厚的铅。密立根认为，它很像具有穿透力的γ射线，但波长较短。
其他科学家，尤其是美国物理学家康普顿，主张宇宙射线是粒子，并有一种方法可以测定。如果宇宙射线是带电粒子的话，当他们从外层空间接近地球时，会因地球磁场的影响而偏转。康普顿对各种不同纬度宇宙射线的测量加以研究，发现它真的受磁场影响而弯曲：靠近赤道的地方影响最弱，而在磁力线汇集的两极处影响最强。
当原始宇宙粒子进入大气层时，带有极高的能量，其中大部分是质子，但有些是较重元素的原子核，一般说来，原子核越重，在宇宙粒子中就越少，然而就像铁原子那样复杂的原子核却很快被探测出来，而且在1968年还探测出像铀原子核那样复杂的原子核。铀原子核只占这些粒子的1/10000000。此外，还有一些超高能电子。
当这些原始粒子撞击到空气的原子和分子时，会将它们的原子核撞碎，而产生各种次级粒子。我们在地球附近所测试出来的就是这种次级辐射（仍然非常强），但发射到高层大气的气球却记录到原始辐射。
如今，由于宇宙射线的研究，继中子之后又发现了另一种新粒子。事实上，理论物理学家狄喇克曾经预测过这种粒子的存在，他由对亚原子粒子性质所作的数学分析，推论出每一粒子都应有一反粒子（科学家希望自然界不仅具有简单性而且具有对称性）。因此，应该存在一种反电子，这种反电子与电子完全相同，只是带有1个正电荷，而不是1个负电荷；也应该存在一种反质子，这种反质子带有1个负电荷而不是1个正电荷。
当狄喇克在1930年提出此项理论时并未引起科学界注意，但两年后反电子真的出现了。美国物理学家安德森与密立根一同研究宇宙射线究竟是电磁辐射还是粒子的问题。当时大部分的人都准备接受康普顿的论证，认为宇宙射线是带电粒子。然而密立根却是一位特别不甘心认输的人，他不满意问题就此了结。安德森想查明进入威尔孙云室的宇宙射线是否会受强力磁场的影响而弯曲。为了充分降低射线速度以便测出曲率（如果存在的话），安德森在云室中放置一块约10厘米厚的铅隔栏。他发现，穿过铅后再穿越云室的宇宙射线的确有一弯曲的径迹。不仅如此，他还发现了其他的物质。在高能量的宇宙射线穿过铅时，它们将一些粒子从铅原子中撞击出来，其中一种粒子形成和电子一样的径迹，但弯曲方向却相反，也就是具有相同质量却带相反的电荷。这就是狄喇克的反电子。安德森把这项发现称为正电子。这是宇宙射线产生次级辐射的一个例子，但在1963年，人们发现正电子亦包括在原始辐射中。
若正电子单独存在时，则和电子一样的稳定（既然除了电荷不同外，其余皆相同，为什么不这样呢），并且可以永久的存在。然而，正电子并不能单独存在，因为它是在一个充满电子的宇宙中产生的。当正电子单独射出时，几乎马上（比如说，在百万分之一秒内）可以在附近找到一个电子。
电子和正电子很可能会有片刻的缔合——两粒子互绕一共同力心的情形。1945年，美国物理学家鲁阿克建议，将这种双粒子系统称做电子偶素。1951年，奥地利血统的美国物理学家多伊奇通过电子偶素放出的特征γ辐射线而探测到电子偶素的存在。
然而即使有这样的电子偶素系统形成，存在的时间最多也只有10-7秒而已。电子和正电子结合而结束它们的绕行。当这两个相反的物质结合在一起时，彼此相互抵消，不留下任何痕迹（相互湮灭）；只留下以γ射线形式存在的能量。这也使爱因斯坦提出的质能互换原理获得肯定。事实也是如此，安德森很快地探测出相反的现象：γ射线突然消失，而产生一正负电子对。这种现象称为对产生（安德森和V.F.赫斯共同获得1936年的诺贝尔物理学奖）。
此后不久，约里奥-居里夫妇于另一场合中碰见了正电子，因而有了重要发现。他们发现在以α粒子轰击铝原子的过程中，不仅产生质子而且产生正电子。这是一件极为有趣的事，但并不惊人。然而当他们停止轰击时，铝仍继续放射出正电子！这种放射随着时间的推移而逐渐消失，显然他们已从靶上产生了一种新的放射性物质。
约里奥-居里夫妇对此的解释是：当铝原子核吸收了一个α粒子时，增加了2个质子，使得铝（原子序数13）转变成磷（原子序数15），因为α粒子一共含有4个核子，因此质量数将增加4——由铝-27转变成磷-31。如果现在有反应，可自核中撞击出一个质子，那么将减少一原子序数和减少一质量数，使得它转变成另一种元素——也就是硅-30。
既然α粒子是氦的原子核，而质子是氢的原子核，我们可以写出这一核反应的方程如下：
铝-27＋氦-4→硅-30＋氢-1
注意两边的质量数平衡：27+4=30+1，原子序数和也是如此。铝的原子序数是13，氦是2，加起来是15，而硅的原子序数是14，氢是1，加起来也是15。这种质量数及原子序数的平衡可说是核反应的一般通则。
约里奥-居里夫妇设想，中子和质子一样在反应中形成，若磷-31所射出的是中子而非质子，则虽然质量数会减少1，但原子序数不会改变，此例中之元素仍为磷，但却为磷-30。因此，方程式变成
铝-27＋氦-4→磷-30＋中子1
因为磷的原子序数是15，而中子的原子序数为0，则方程两边的原子序数仍能平衡。
这两种过程——吸收α粒子后放出质子和吸收α粒子后放出中子——在以α粒子轰击铝时都会发生，但是这两种结果有一极大的不同。硅-30是众所周知硅的同位素，在自然界中约占硅的3%强，但是磷-30在自然界中却不存在。磷惟一为人所知的自然形式是磷-31。简言之，磷-30是一种短寿命的放射性同位素，在今天，它只能以人工方法制造出来；事实上，它是第一个在实验室中制造出来的这类同位素。由于约里奥-居里夫妇发现感生放射性，因而获得1935年的诺贝尔化学奖。
约里奥-居里夫妇发现轰击铝所产生的磷-30很不稳定，很快地就因放射出正电子而衰变。正电子如同电子不具任何可观的质量，放射并不会改变原子核的质量数。然而，失去一正电荷，却使原子序数减1，因此由磷转变为硅。
然而，正电子是哪里来的呢？它是否是原子核的构成成分呢？答案是否定的。真正的原因是原子核中的一个质子因失去一个正电荷，转变成一个中子，而这个正电荷是以快速正电子的形式释放出来的。
现在可以解释本章前述有关β粒子放射的疑惑了。β粒子的放出恰为质子衰变为中子的反过程，即由中子转变成质子。质子转变成中子会放出1个正电子，而同样，为维持对称性，由中子转变成质子也会放出1个电子（即β粒子）。失去1负电荷就等于获得1正电荷，这说明了为什么1未带电的中子会形成1带正电的质子。但问题是：未带电的中子如何发掘出1负电荷并把它往外送呢？
事实上，如果只是1个负电荷，中子是无法这样做的。两个世纪的经验告诉了物理学家，不管是负电荷或是正电荷都不能无中生有，也不能自行毁灭。这就是电荷守恒定律。
然而，在产生β粒子的过程中，中子不仅产生出1个电子，也产生出1个质子。不带电的中子消失了，取而代之的是带正电的质子和带负电的电子。如果将此两粒子的电荷加起来刚好等于零。不会产生任何静电荷。同样地，当1个电子和1正电子碰在一起时，彼此会互相湮灭。电子和正电子的电荷加起来刚好和刚碰在一起时一样，都等于零。
1个质子放出1个正电子后变成中子，原来的粒子（即质子）带的是正电荷，因此最终的粒子（中子和正电子）加起来也是1个正电荷。
1个原子核也有可能吸收1个电子。当发生此种情况时，原子核中的1个质子会转变成1个中子。1个电子加上1个质子（合计电荷为零）形成1个中子，而我们知道，中子是不带电的。被俘获的电子来自原子最内层电子壳层，因为此壳层中的电子最靠近原子核，因此最容易被吸收。由于最内层的是K壳层（见第六章 ），因此这个过程被称为K俘获。此时，来自L壳层的电子就会掉入空出来的地方，而放出X射线，故由X射线可探测出K俘获。这是由美国物理学家阿尔雷斯于1938年首先发现的。只有原子核参加的一般核反应通常不受化学变化的影响，化学反应只影响电子。既然K俘获会影响电子和原子核，K俘获发生的机会多少会受化学变化的影响而有所改变。
