所有这些粒子间的相互作用都符合电荷守恒定律。但是，它们也必须符合其他的守恒定律。物理学家认为，任何不违反守恒定律的粒子间的相互作用总会发生，观察者只要使用适当的工具，又有充分的耐心，就会探测到这种相互作用。违反守恒定律的事件是被“禁止”的，而且不可能发生。虽然如此，物理学家有时会惊异地发现，守恒定律似乎并不像原来想象的那样严密和普遍适用。这方面的情况以后再说。
放射性元素
自从约里奥-居里夫妇造出第一个人造放射性同位素，物理学家便轻松地继续制造出整个家族的同位素。事实上，周期表上每一元素的各种放射性物质已在实验室中制造出来了。现代的周期表中，每一元素事实上都是一个家族，拥有稳定和不稳定的成员，有些是在自然界中发现的，有的只在实验室中才能找到。
举例来说，有三种不同的氢。第一种是一般的氢，含单一质子。第二种氢则是由化学家尤里在1932年找到的。他将大量的水慢慢地蒸发，成功地分离出第二种氢。理论上，最后他必须浓缩出这种一度被人怀疑是否存在的较重的氢。果然，当他用分光镜检查最后几滴未蒸发的水时，发现光谱中预测为重氢的位置上有一条不明显的线。
重氢的原子核是由1个质子称1个中子构成的。因为含有2个质量数，所以此同位素为氢-2。尤里把它命名为重氢或氘。这个字源自希腊文“第二”的意思，而其原子核则为氘核。含有氘的水分子就称为重水。因为氘含有一般氢两倍的质量，因此重水的沸点和凝固点较一般水为高。一般水的沸点和凝固点分别为100℃和0℃，而重水则为101.42℃和3.79℃。另一方面，与沸点为20.4K的一般氢比较，氖的沸点则为23.7K。在大自然中，氘以1/6000的比例存在于一般的氢中。尤里由于发现了氘，而于1934年获得诺贝尔化学奖。
后来发现氘核是一种用来轰击原子核非常有价值的粒子。1934年，澳大利亚物理学家奥利芬特及奥地利化学家哈特克以氘核轰击氘本身，结果产生了第三种形式的氢，此种氢是由1个质子和2个中子构成的。反应是这样的：
氢-2＋氢-2→氢-3＋氢-1
这种新的“超重”氢被命名为三重氢或氚，这个字源自希腊文“第三”的意思，它的原子核称做三重氢核或氚核，沸点是25.0K，熔点是20.5K。纯的氚氧化物——超重水已制造出来，熔点是4.5℃。氚具放射性，相比之下，衰变较快。氚在大自然中是宇宙射线轰击大气层中的分子所形成的。在衰变时，会放出一电子而变成氦-3，我们在前章曾经说过，这是一种稳定却少见的氦同位素。
大气层中，大约80万个氦原子中只有一个是氦-3，毫无疑问，都是由氢-3（氚）衰变而来的，而氢-3本身则是宇宙射线粒子撞击大气层中的原子引起核反应所产生出来的。而且任何时候，氚的含量都是很少的。一般估计大气层和海洋中只有约1.6公斤的氚存在。在天然气井下，由于宇宙射线很少有机会在那里形成氚，因此在所得到的氦中，氦-3的含量占的百分比就更小了。
图7-3 通常的氢、氘、氚的原子核
氦-3和氦-4这两种同位素，并不是仅有的氦，物理学家已制造出两种放射性氦：一为氦-5，是最不稳定的原子之一；另一为氦-6，也非常不稳定。
现在可列出的同位素合计已增加到约1400种之多，其中1100多种具有放射性，而且许多元素是用新型原子炮产生出来的，这种原子炮比从放射源产生的α粒子强有力得多，而α粒子是卢瑟福和约里奥-居里夫妇当时使用的惟一投射粒子。
20世纪30年代初由约里奥-居里夫妇所做的实验，当时似乎是在建造科学的象牙塔，但后来的确有非常实际的应用。假设以中子轰击由一种或多种原子所构成的一组原子。每种原子以一定百分比吸收1个中子，结果通常是产生1个放射性的原子。这种放射性元素将衰变，以粒子或γ射线的形式放出亚原子辐射。
每种不同的原子将吸收中子而形成不同类型的放射性原子，而放出不同的特征辐射。我们可以精确地探测到这些辐射。从它的类型及衰变率，也可辨认出放射性原子放出的辐射，所以也可识别出未吸收中子前的最初原子。我们可以用这种方法（中子活化分析）来极其精确地分析物质：即使数量小到某一特定核素的10−12克也可探测出来。
中子活化分析可用来确定取自不同世纪的某一种颜料样本中所含杂质的细微差别，因而，用这种方法，对被认为的古画，只需要使用其极少的一点颜料，就可以鉴定出真伪。此外，它也可做其他的精确鉴定：甚至拿破仑死了一个半世纪后，也可找出其尸体毛发中含有砷——不过却无法确定是被谋杀、服药致死或是意外死亡的。
粒子加速器
狄喇克不仅预言了正电子的存在，也预言过反质子。然而，要产生反质子需消耗极大的能量，产生反粒子所需的能量与粒子的质量成正比。既然质子质量是电子的1836倍，因此形成反质子所需的能量至少为形成正电子的1836倍。因此必须有一种装置来加速亚原子粒子，使之具有足够的高能量。
在狄喇克提出他的预言的时候，在这方面只是刚刚起步。1928年，英国物理学家克罗夫特和瓦耳顿在卢瑟福的实验室中进行研究，他们研制出一种电压倍增器。这套装置是用来增加电位的，可使带电质子的能量增加到约40万电子伏（1电子伏等于1个电子在1伏特的电场中加速后所具有的能量）。因为质子在此机器中被加速，所以可打破锂原子核。由于这项研究，他们两位共同得到了1951年的诺贝尔物理学奖。
同时，美国物理学家范德格喇夫也正建造另一形式的加速器。基本上，此种加速器是将电子和质子分开，再利用一移动皮带将电子和质子分送到加速器相对的两端，范德格喇夫发电机在两端间产生一非常高的电位；范德格喇夫将电位升高到8Mev。事实上，静电发电机能够很轻易地将质子加速到等于24Mev的能量（物理学家现在都将兆电子伏即百万电子伏缩写成Mev）。
范德格喇夫静电发电机制造出巨大火花的戏剧性照片吸引了大家的想像力，大家都想看看这台原子破碎机。虽然人们看到的像是一部造出人造闪电的装置，但是，当然，它的功用远不止于此（一部只用来制造人造闪电的发电机，已于1922年由德国血统的美国电机工程师施泰因梅茨所完成）。
这种加速器所能达到的能量受限于所获电压的大小。然而，另一种加速粒子的方法马上孕育而生了。假如我们不用一次就能得到高能量的粒子去轰击靶粒子，而以一系列小推动的加速粒子来取而代之，而且使每一连续推动的时间得当，那么轰击粒子的速度将会逐次增加，就像我们推送小孩子玩的秋千一样，如果每次推动都和秋千的振荡“同向”的话，则秋千就会越荡越高。
根据这种想法1931年终于制造出直线加速器。这些粒子被引导到分成好几部分的管子内，驱动的力量来自一交变电场，而且设计成能使粒子每进入一个部分管子就能得到一次驱动力。因为粒子一面走一面加速，所以后一部分管子必须比前一部分的长，才能在相同的时间内通过每一部分。另外粒子速度必须与驱动的速度同向才行。
图7-4 直线型加速器的原理。高频交流电在一连串的驱动管中交替地推拉带电粒子，使它们朝着固定方向加速
使驱动速度维持正确无误并不是一件简单的事，再加上当时的技术使管子长度受限，所以直线加速器在20世纪30年代未获利用。但是加利福尼亚大学的劳伦斯提出了一个更好的构想，因而推动了加速器的进展。
劳伦斯在想，为何不让粒子绕一圆周路径旋转，以替代在笔直的管中前进呢？磁铁可使它们沿弯曲的路径行进。每当走完半圈时，粒子会受到交变电场的加速；而且在这种设备中，速度并不难控制。当粒子速度加快时，路径因磁铁而弯曲的幅度也不很陡，因此，可以沿较宽的圆形路径运动，且每绕一圈所花的时间也可能相同。粒子飞行路线呈螺旋状，飞行结束时粒子从圆形室中射出来撞击靶片。事实上，圆形室被分成半圆形的两半，称做D型电极。
劳伦斯将此种紧凑的新设备称做回旋加速器（图7-5），最初的模型直径小于0.3米，可将质子加速到约1.25兆电子伏的能量。在1939年的时候，加利福尼亚大学拥有一台1.25米直径磁铁的粒子回旋加速器，能够将粒子加速到约20兆电子伏的能量，为放射源射出的最大能量的α粒子速度的两倍。当年，劳伦斯由于这一发明而获得诺贝尔物理学奖。
图7-5 粒子回旋加速装置的顶面图（上图）与侧面图（下图）交变充电的每个D型电极使从源发出的粒子受到一次加速，并且受到磁场的作用弯曲成蜷线路径
粒子回旋加速器到约20兆电子伏时，就要受到限制，因为在此能量时，粒子随速度所增加的质量——爱因斯坦相对论中曾预言过的效应——相当可观，随着场加速，粒子开始停止加速，相位也慢慢地落后。但有个办法可以补救，这个办法是苏联物理学家维克斯勒和美国加利福尼亚州物理学家麦克米伦于1945年同时独立地研究出来的。这个补救的方一法就是简单地使电场强度随粒子质量的增加而同步增加。修正后的粒子回旋加速器叫做同步回旋加速器。在1946年时，加利福尼亚大学已造出能加速粒子使具有200兆～400兆电子伏能量的同步回旋加速器。此后美国及苏联的大型同步回旋加速器，将能量提升到700兆～800兆电子伏。
同时，电子的加速特别受到瞩目。为了用来撞碎原子，质量小的电子必须在速度上较质子快得多（就好像乒乓球如要和高尔夫球具有相同的杀伤力，运动速度就必须快很多才行）。粒子回旋加速器没有办法利用电子，因为电子在有效运用时所具有的高速会使质量大增。1940年，美国物理学家克斯特设计出一套电子加速装置，能使电场强度随质量而增加，并且能使两者间平衡。该装置是将电子保持在同一圆形的路径而非螺旋状的路径内。这套装置称为电子感应加速器。这套装置现在可使电子速度提升到340兆电子伏。
此外，还有一种设计稍有不同的仪器，叫做电子同步加速器，是高沃德和巴恩斯于1946年在英国最先建造出来的，可使电子能量增加到1000兆电子伏的上限，但是不能再高了，这是因为在圆形路径中迅速运动的电子，当速度增加时，辐射能也随之增加。由加速粒子所产生的辐射叫做韧致辐射。
模仿电子感应加速器和电子同步加速器的原理，研究质子的物理学家约在1947年开始建造质子同步加速器。在此设备中，同样地使质子在单一的圆形路径上运行。这对节省设备的重量有相当帮助。当粒子在呈螺旋状的路径上运行时，磁铁必须覆盖整个螺旋状路径的宽度，使磁力能够均匀地分布；但若路径呈圆形，则磁铁只需覆盖一较窄的区域就可以了。
由于质子质量大，在圆形路径上运行时，能量不会像电子损失的那么快，于是物理学家开始使用质子同步加速器，朝着超过1000兆电子伏上限的目标努力。1000兆电子伏等于10亿电子伏——缩写成Bev（在英国，1billion等于1万亿，所以Bev在美国和在英国含义是不相同的。英国是用简写Gev来代表1000Mev，G是由giga而来，是希腊文“巨大的”意思）。
1952年，位于长岛的布鲁克海文国家实验室完成一高达2～3千兆电子伏的质子同步加速器，称为宇宙级加速器，因为它能达到宇宙射线粒子中的主要能量范畴。两年后，加利福尼亚大学造出高能质子同步稳相加速器，能产生5千兆～6千兆电子伏之间的粒子。而后，1957年，苏联宣称他们的配相加速器可达10千兆电子伏。
但现在，上述这些机器和一种称为强聚焦同步加速器的新型加速器比起来，似乎微不足道。高能质子同步稳相加速器有一个限制，那就是粒子束会撞到所通过路径的墙壁；而新型装置能利用不同形状的交替磁场将粒子集中，成为窄的粒子束，避免粒子撞到墙壁。这个构想是克里斯托菲洛斯首先提出的。克里斯托菲洛斯在这方面以及在克里斯托菲洛斯效应中所显示的“业余”才能，使专家也相形失色。而这样做可以使达到能量水平所需的磁铁尺寸进一步减小。当粒子能量增加50倍时，所需磁铁的重量却小于2倍。
1959年11月，由12个国家合作组成的欧洲核研究委员会(CERN），在日内瓦完成了一座强聚焦同步加速器，能达到24千兆电子伏，且每隔3秒钟产生粒子大脉冲（含100亿个质子）。这个同步加速器的直径几乎有3个街区的长度，每绕一周长为640米。在产生脉冲的3秒间，粒子所绕的路径约为此长度的50万倍。这套装置包含一重达3556吨的磁铁，价值3亿美元。
技术仍在不断地进步，人们寻求更高的能量以产生更多不寻常的粒子相互作用，形成更多更重的粒子，以及了解更多有关物质的基本结构。举例来说，在贮存环中反向绕环的两粒子束速度能维持一段时间，我们为何不以环中沿方向相反进行的两束粒子来取代撞击固定靶的一束粒子呢？所以在适当的时候，它们会头对头地碰撞在一起。这样碰撞的有效能量是不论哪一束撞击一固定靶的4倍。芝加哥附近的费密国家加速器实验室依此原理设计的加速器，在1982年正式运行，达到1000千兆电子伏的能量。此加速器称做垓电子伏加速器。正在计划建造的另外几个加速器则有可能高达20000千兆电子伏的能量。
直线加速器也再度受到人们的注意。技术上的改良已将过去困扰的难题解决。就超高能来说，直线加速器有些优点是回旋加速器所没有的。因为电子在走直线时不会损失能量，所以直线加速器在电子加速上就更具威力，而且它能使电子更锐细地聚焦于靶上。斯坦福大学已建造出一座能达45千兆电子伏能量、长达3.2公里的直线加速器。
有了高能质子同步稳相加速器，人类终于可以制造反质子了。加利福尼亚州的物理学家已开始精心制造和探测反质子。1955年，张伯伦和塞格雷以6.2千兆电子伏的质子不断地轰击铜，确实得到了反质子——事实上，得到了60个。要辨认出反质子是很难的，在产生出来的瞬间，也同时产生了40000种不同的粒子。但通过探测器的精巧系统设计和排列得只有反质子才能到达所有的底板，如此即可无疑地分辨出粒子来。张伯伦和塞格雷由于这项成就而获得1959年的诺贝尔物理学奖。
反质子和正电子一样容易消失——至少就我们的宇宙而言是如此。在产生后的瞬间内，它就会被一般带正电的原子核所夺走。反质子和核中的质子相互湮灭，转变成能量及更小的粒子。1965年，人们已可集中足够的能量来逆转此过程，并且产生质子-反质子对。
有时候，质子和反质子间只发生一种接近碰撞而不是直接碰撞。当此现象发生时，它们相互中和各自的电荷，质子因而转变成中子，这似乎是合理的。但是反质子却变成了反中子！反中子究竟是什么呢？正电子由于本身所带的正电荷而为电子的相反物，反质子亦然。但不带电的反中子又和中子有何相反的性质呢？
粒子的自旋
在这里我们必须重提粒子的自旋，这种特性是由荷兰物理学家乌伦贝克和古兹密特在1925年首先提出的。自旋时，粒子会产生一个小的磁场，这种磁场已由德国物理学家斯特恩和美国物理学家拉比彻底地探究并测出其大小。由于对这个现象的研究，两人分别获得1943和1944年的诺贝尔物理学奖。
这些被测到自旋为半整数的粒子——像质子、中子和电子——可依照1926年由费密及狄喇克分别提出的一套规则系统来处理，因此被称做费密-狄喇克统计法。符合此统计法的粒子称为费密子，因此，质子、中子和电子皆为费密子。
另一方面，世界上也存有能以整数表达自旋的粒子，它们可以由爱因斯坦及印度物理学家玻色所建立的另一套规则来处理。遵照玻色-爱因斯坦统计法的粒子称为玻色子，比如d粒子就是玻色子。
种类不同的粒子含有不同的特性。举例来说，泡利不相容原理（见第五章 ）不仅适用于电子，也适用于所有的费密子，然而却不适用于玻色子。
要了解一带电粒子如何建立磁场是很容易的，但要了解为什么一不带电的中子也会建立磁场，那就不简单了。然而中子会建立磁场是毫无疑问的。最直接的证据是，当一中子束撞击磁化的离子时，就和它撞击未磁化离子时所表现出的行为不同。中子的磁性很可能是因为它本身是由其他带电粒子所组成的。就中子整体来说，这些粒子会在中子内互相抵消电性，但在其自旋时多少会建立一磁场。
总之，中子的自旋使我们知道了反中子是什么。它只不过是自旋方向和中子相反的另一中子罢了，比如它的南极是在上方而不在下方：事实上，质子和反质子及电子和正电子也有极向相反的现象。
毫无疑问，反粒子可组合成反物质，就好像一般的粒子形成一般的物质一样。第一个反物质的实例是1965年在布鲁克海文制造出来的。在那里，以7千兆电子伏的质子撞击铍靶产生了反质子和反中子的组合物，这是一种被称为反氘核的物质。自从反氦-3被制造出来后，无疑地，如果肯多花点心力，仍可形成更多复杂的反核原子。此原则是很明白的，没有科学家表示怀疑。反物质是能够存在的。
图7-6 一个氢原子及其由反质子和正电子组成的反物质的对应物
但反物质是否真的存在呢？宇宙中反物质是否有质量呢？如果有的话，那就会和观察结果有所差异。反物质的引力效应和所产生的光，与一般物质所产生的应该相同。然而，如果它们遇到一般物质时，则所产生的巨大湮灭反应应该是特别引人注目的。但事实却不然，天文学家并没有探索到天空中任何地方因爆发而产生的能量可清楚地确定是物质-反物质相互湮灭的结果。宇宙有可能几乎全是物质，而仅有少量甚至根本没有反物质吗？如果真是如此，原因何在呢？既然物质和反物质除了电磁特性相反外，其他方面都相同，任何力量如果能产生其中之一，应该也能产生另一种，宇宙就应是由等量的物质和反物质所构成。
这是一种两刀论法。理论上告诉我们应有反物质存在，但实际的观察却无法支持这项论点。我们能说观察是失败的吗？活动的银河甚至于类星体，其核心究竟在那儿呢？这些具有巨大能量的现象是不是物质-反物质相互湮灭所产生的结果呢？很可能不是！甚至这种湮灭现象是不充分的，天文学家愿意接受引力崩溃和黑洞的观念，认为此二者可能是产生所需能量的惟一的已知机制。
宇宙射线
宇宙射线是什么呢？大多数宇宙线粒子拥有1~10千兆电子伏的能量。这也许可以用来解释物质-反物质的相互作用，但有些宇宙粒子能量可高达20千兆电子伏、30千兆电子伏、40千兆电子伏。麻省理工学院的物理学家已探测出一些拥有200亿千兆电子伏巨大能量的宇宙粒子，如此巨大的数目人们是难以理解的，但是我们计算出200亿千兆电子伏的能量能使一个亚微观粒子将1.8公斤的重物抬高约5厘米，由此可见该能量之大。
早在宇宙射线被发现时，人们就感到奇怪：它们是由何处来的呢？它们是如何产生的呢？最简单的观念是，在我们银河中的某个地方一直不断地进行着核反应，此反应将具有巨大能量的粒子往前推送。的确，每隔一年左右产生的这种不太强的宇宙射线（正如1942年首次发现的那样）与太阳的耀斑有关。那么像超新星、脉冲星及类星体，它们的来源又是什么呢？人们并不知道可产生200亿千兆电子伏的核反应究竟是如何发生的？最重的物质及反物质核相互湮灭释放出的快速粒子最多也只能拥有250千兆电子伏的能量而已。
另一种说法，就像费密所说的那样，是假设空间有某种力量加速宇宙射线粒子，而这些粒子是由超新星之类的天体爆发所产生的，起初它们具有中等的能量，然后在空间旅途中慢慢地被加速。目前最流行的理论认为，这些宇宙射线粒子是由宇宙磁场所加速的。此处宇宙磁场扮演的角色就好像是一巨大的同步加速器一样。事实上，空间真的有磁场，而且一般认为，我们的银河就整体而言便拥有一个磁场，但强度最多只是地球磁场的1/20000。
在这个磁场中运动时，宇宙射线粒子在一弯曲的路径上慢慢被加速。当得到能量后，路径就会往外愈荡愈宽，直到那些最具能量的宇宙线粒子脱离银河为止。尽管大多数的粒子因彼此的碰撞而消耗了能量，不能达到脱离的轨道，但还是有部分粒子达到了。事实上，到达我们星球的最大能量的宇宙射线粒子，可能就是从另一个星系中以此方式脱离出来，然后再通过我们的银河。
原子核的结构
现在我们已经知道了原子核的一般组成及特性，但仍然对其结构非常好奇，特别是内部的精细结构。首先，原子核的形状是什么样子呢？因为原子核非常小且质子和中子又紧密地充填其间，所以物理学家很自然地就假设它是球形的，而事实上，原子光谱的细节也告诉我们，许多原子核的电荷呈球形分布。当然，有些并不是如此，它们的行为表现出似乎拥有两对磁极，因此被称为是具有电四极矩的原子核，但是形状依然和球形相去不远。最极端的例子是稀土元素的原子核，其核内的电荷似乎呈长球形分布，换句话说，就是橄榄球形，但即使如此，长轴和短轴的长度差仍低于20%。
图7-7 这是一张由30000千兆电子伏的宇宙射线击碎1银原子的照片。宇宙粒子与银原子核相撞产生出95块核碎片，形成犹如星裂的径迹
至于原子核的内部构造，最简单的模型将原子核描绘成是由粒子集合紧密填塞而成的，就好像液滴一样。液滴内的粒子（分子）紧密地挤在一起，分子与分子间几乎没有空间可言，且各处的密度相等，再者，液滴有一个明显的表面边界。
1936年玻尔详细地研究了这种液滴模型，提出了原子核吸收或放出粒子的可能解释。当一粒子进入原子核时，我们可假设，它将运动能量分配给原子核中所有紧靠在一起的粒子，所以没有一个粒子可马上得到足够的能量而脱离原子核，约经过10−15秒后，就有足够的时间发生109次以上的随机碰撞，于是某些粒子聚集了足够的能量之后，就脱离了原子核。
此种模型也可解释由重核发射出α粒子的原因。如果组成这些较大核的粒子在原子核内运动并交换能量的话，那么原子核就会像液滴一样颤动。事实上，所有的原子核都会如此颤动，只是核越大越不稳定，越容易破裂。由于这个原因，以2个质子和2个中子形式所组成的α粒子（一种非常稳定的结合）就会自发地从原子核表面脱离出去。结果，原子核愈来愈小，颤动而破裂的倾向也愈来愈低，最后达到稳定状态。
颤动的现象也可能导致另一种形式的不稳定。当一大液滴悬浮在其他的液体中时，受周围液体流的影响也会产生摇晃的现象，此液滴遂有分解成较小圆球的倾向，大体说来通常是相等的两半。某些大原子核受中子轰击而产生这种形式的分裂现象已于1939年发现（将在第十章 详尽描述），我们称之为核裂变。
事实上，核裂变在没有外来的扰动粒子引入时，应该偶尔会发生才对。内在的颤动应该会偶尔使原子核裂成两半。1940年，苏联物理学家弗勒罗夫和派垂克确实在铀原子中探测到这种自发裂变。铀主要以放出α粒子的方式显示出它的不稳定性，在454克铀中，每秒有4次自发性核裂变，共有8兆个原子核释放α粒子。
自发性核裂变也发生在镁与钍中，更经常发生在超铀元素里。原子核愈大，发生自发性核裂变的概率也愈大。对于最重的元素而言，自发性核裂变就成为最重要的分裂方法，比α粒子的放射重要得多。
原子核另一种较普遍的模型则把原子核比作原子的整体结构。原子核内的核子就像电子层层围绕原子核一样，且各层之间影响甚微，这种模型称为壳层模型。
由于核子与原子的电子壳层相似，我们可假设原子核的外壳层如果填满了核子，将比未填满核子的原子核稳定。这一极其简单的理论告诉我们，具有2、8、20、40、70或112个质子或中子的原子核将特别稳定。然而，此理论却不能与观察的结果相符。德国血统的美国物理学家梅耶夫人（M.G.梅耶）将质子和中子的自旋考虑进去，并进一步地证明了自旋是如何影响壳层模型理论的。考虑自旋的结果，显示具有2、8、20、50、82和126个质子或中子的原子核特别稳定——与观察结果符合。此外，具有28、40个质子或中子的原子核也相当地稳定，相对地，如果和上述的几种原子核相较，其他的原子核就显得较不稳定。这些壳层数有时被称做幻数，而28或40壳层有时也被称做半幻数。
氦-4(2个质子和2个中子）、氧-16(8个质子和8个中子）以及钙-40（20个质子和20个中子）都特别稳定，而且与其他大小相似的核相比较，它们在自然界中的蕴藏量显得丰富多了。
对于幻数较高的元素而言，锡有10种稳定的同位素，每种同位素都有50个质子；而铅也有4种稳定的同位素，每种都有82个质子。总共有5种各含50个中子的同位素（每种都是不同的元素），以及7种各含82个中子的稳定同位素。一般而言，核壳层理论的详细预测最接近幻数，然而介于幻数间的元素（比如镧系和锕系），核壳层理论与观察结果就不大相符了。但是在幻数与幻数正中间的区域，原子核偏离球形最远，明显地呈椭球状，而壳层理论是在假设球形下建立的。1963年的诺贝尔物理学奖颁给了梅耶夫人以及其他两位对此理论也有贡献的物理学家——维格纳和德国物理学家延森。
一般而言，原子核愈复杂，它们在宇宙间就愈稀少，也愈不稳定，或两者兼具。最复杂的稳定同位素是铅-208和铋-209，都是126个中子的幻数。此外，铅还是82个质子的幻数。除此以外，所有的核素都是不稳定的，一般原子核愈大就愈不稳定。然而，由于幻数的考虑，解释了为什么钍和铀比其他大小相似的核素拥有较稳定的同位素。此理论也预测元素110和114的同位素（正如早先提过的）可能较其他大小相似的核素不稳定得多。
轻子
电子和正电子因其微小的质量而受到注意，它们的质量仅为中子、质子、反中子或反质子中任一粒子质量的1/1836，因此被统称为轻子，源自希腊文“细薄”的意思。虽然电子在近100年前首次被发现，然而迄今为止，仍然未能发现其他带有电荷但质量较电子为轻的粒子，而且科学家也不期望能发现这种粒子。我们虽然知道电荷的效应和如何测量它的性质，但我们却不知道它的本质究竟是什么；不论电荷是什么，它总是以最小质量出现，像电子显示的那样。事实上，电子可能仅是电荷而已；而且当电子表现如同粒子时，在电子上的电荷似乎没有广度而只是占据一个小点。
当然某些粒子根本就不具任何质量，也就是没有静质量，同时这些粒子也没有电荷。例如，光波和其他形式的电磁辐射现象可以用粒子来表示。而这种用以说明电磁现象（曾被认为是波动）的粒子，称为光子，源自希腊文“光”。
光子没有质量且不具电荷，而由于自旋为1，所以是一种玻色子。我们怎么知道自旋是多少呢？光子在核反应中，有时被吸收，有时则被释出，在这些核反应中，所有参与反应的粒子反应前后的自旋总值应该维持不变，即自旋守恒。然而在光子参与的核反应中，惟一能符合自旋守恒的情况就是假设光子的自旋为1。光子并不被认为是轻子，它是专供费密子使用的术语。
我们有理论上的理由认为，当质量在加速状况下（例如围绕另一质量在椭圆轨道上运动或是引力崩溃时），能量将以引力波的形式释放出来。这些波动也同样具有粒子的性质，这种粒子称为引力子。
引力与电磁力相比极其微弱。一个质子和一个电子间互相吸引的引力，大小约仅为作用于其间的电磁力的10−39。所以引力子必然不及相应的光子活跃，因而更难探测到。
虽然如此，美国物理学家韦伯仍然在1957年开始着手探测引力子的困难工作。他将一对153厘米长、66厘米宽的铝制圆柱体用金属线悬吊在真空室内。引力子（探测出呈波的形式）如果存在，将会轻微地移动这两根圆柱体，此时再以一个能够测出10−14厘米位移的测量系统加以测量。来自宇宙深处的引力子的微弱波动，应该同时扫过整个地球，所以也应该同时影响到这一对相距有段距离的圆柱体。韦伯在1969年宣称他已经发现了引力波的效应。这个声明相当令人兴奋，因为一项特别重要的理论——爱因斯坦的广义相对论将可获得实验上的支持。不幸的是，并非所有的科学故事都会有愉快的结尾。其他的科学家无论如何尝试，也无法再和韦伯一样发现引力子，也就是说仍然未能发现引力子。但是物理学家仍然对广义相对论满怀信心，并且确信引力子一定存在。他们认为引力子没有质量也没有电荷，自旋量为2，属于玻色子，而不是轻子。
光子和引力子都没有反粒子，或说它们本身就是自身的反粒子。有一个方法或许有助于想象这种情形，把一张纸对折，然后翻开，中间就会出现一道折线，在折线左右两边等距离处各放一个小环，它们分别代表电子和正电子，至于光子和引力子则恰好位于折痕上。
中微子和反中微子
到目前为止，轻子只有两种：电子和正电子。除非需要新的轻子，物理学家已满足这种现状，因为似乎没什么充分的理由需要其他的轻子了。然而，困扰就出现在放射性核放出β粒子上。放射性核放出的粒子通常都带有可观的能量，这些能量是由哪里产生的呢？它是由原子核一小部分质量转化成能量而来的，换言之，在排出粒子的作用中，原子核总有少量的质量损失。长久以来，有一个问题一直困扰着物理学家，那就是在核衰变中放出的β粒子所带走的能量，不足以和原子核失去的质量相平衡。事实上，并不是每个电子所丧失的能量都是相等的。它们表现出一宽度的能量分布，只有极少数的电子能得到最高能量，但是其他大部分的电子则显示出大小程度不一的能量短缺。不过并不是所有的亚原子粒子发射都是这种情况。有一特别的核素发射出的α粒子所带的能量就和期望值完全一样。那么到底在β粒子发射中出了什么问题呢？不足的能量到底跑到什么地方去了呢？
1922年，迈特纳首次提出上述的问题；到了1930年时，玻尔已经想要放弃能量守恒定律了，至少在应用于亚原子粒子的时候是如此。然而在1931年，泡利为了要挽救能量守恒定律，对不足能量之谜提出了一个解释。他的解释非常简单：另外有带着缺少的那部分能量的其他粒子和β粒子一起由原子核发射出来。这神秘的第二种粒子具有相当奇怪的性质：它没有质量而且不具电荷，运动速度为光速，它所具有的仅是一定量的能量。这个粒子像是为了能量平衡而故意虚构出来的。
但是这个粒子一被假设出来，物理学家立刻就确信这种粒子一定存在。当中子被发现分离成1个质子和1个如β衰变中一样不具足够能量的电子时，他们更加确信它的存在。意大利的费密给这个想象中存在的粒子取了个名称，称之为中微子，意大利文的意思是“小而中性的”。
中子提供了物理学家另一项中微子存在的证据。正如前文曾提过的，几乎每一个粒子都有自旋。自旋的大小是以正负½的整数倍来表示。现在我们知道电子、质子和中子的自旋都是½。如果一个自旋是½的中子放射出1个质子和1个电子，2个粒子自旋都是½，那么自旋守恒定律将会如何呢：显然会有问题发生。如果自旋是同方向，电子和质子的自旋总和为1。如果是反方向，总和就是0；但是无论你如何分配自旋，它们的自旋总和绝不可能和中子的½相等。幸好中微子的出现解决了这个问题。中子的自旋是½、质子是½，电子则为−½，那么质子和电子自旋的总和为0，而中微子的自旋当然就是+½，所以它也是个费密子，因此也是个轻子，这样一来，方程式便漂亮地平衡了。
+½（中子）=+½（质子）−½（电子）+½（中微子）
但是还有更多的平衡工作要做，1个粒子（中子）形成了2个粒子：质子和电子，如果我们把中微子也算在内的话，那就是形成了3个粒子。因此推测中子转换成2个粒子和1个反粒子，亦即粒子总数为1，似乎更为合理些。换句话说，我们需要用来平衡的不是1个中微子而是1个反中微子。
中微子会在质子转换成中子的反应中出现。这个反应的产物是1个中子（粒子）、1个正电子（反粒子）和1个中微子（粒子），如此也达成了平衡。
也就是说，中微子和反中微子的存在可以挽救不只一条而是三条重要的守恒定律：能量守恒定律、自旋守恒定律、粒子和反粒子守恒定律。挽回这些定律是非常重要的，因为在其他不牵涉到电子和正电子的各种核反应中，它们都能成立。如果在牵涉到正电子和电子的反应中也能成立的话，那将非常有用。
最重要的质子-中子转换是发生在太阳以及其他星体所进行的核反应中，所以星体会放出快速而大量的中微子流。据估计约有6%～8%星体的能量就是被放出的中微子流带走的。然而这个估计仅对类似太阳的星体才能成立。1961年，美国物理学家邱洪宜认为，随着星体中心温度的升高，另外产生中微子的反应变得重要起来。一个星体在其演化过程中，趋向于一个愈来愈热的核心（见第二章 ），有更大比率的能量被中微子流带走。
这一论点是十分重要的。由光子传播能量的方式较为缓慢，因为光子会与其他物质相互作用，所以由太阳的核心前进至表面之前，需要经过无数次的吸收和再发射过程，因此，虽然太阳核心的温度是15000000℃，表面的温度却只有6000℃。由此也可知道构成太阳的物质是热的良好绝缘体。
然而，中微子却不容易和其他物质起反应。人们曾计算过，普通中微子可以通过厚达100光年的固态铅，被吸收的概率只有50%。所以，任何在太阳核心形成的中微子，生成后就立刻以光速在3秒内达到太阳表面，然后离开太阳，不会遭到任何阻碍。不论白天或黑夜，任何由太阳朝向我们而来的中微子都可毫无困难地穿越我们的身体。即使在黑夜里，虽然有庞大的地球介于我们和太阳之间，中微子穿越地球和我们，和它只穿越我们身体一样容易。
邱洪宜计算出，当星体中心的温度达到6000000000K的时候，星体所产生的大部分能量都被传送至中微子上。这些中微子一旦形成，便带着能量离去，星体中心因此急剧冷却。或许就是这个原因，使星体产生剧烈的收缩而成为天空中一颗明亮的超新星。
追踪中微子
反中微子产生于任何中子转换成质子的反应中，但是据目前所知，每个星体都会产生庞大的中微子流，而反中微子则不然。所以反中微子的最重要来源是天然放射性和铀裂变。
除非确实查出了中微子的究竟，不然物理学家们是绝不会就此满意的；一位科学家不愿意仅为信仰而接受某些自然现象或定律。但是要如何去探测像中微子这样朦胧的实体，一个既没有质量、电荷，而且实际上也不具有与一般物质相互作用倾向的实体呢？
但是还有一线希望。虽然中微子与其他粒子反应的概率非常小，但并不是完全没有。中微子通过100光年厚的固体铅而不受影响只是平均的算法而已，还是有一些中微子会在完全通过铅之前和其他粒子发生反应的。而且有极少数的中微子（对全部的粒子数来说，几乎是无法想象的极小比率）甚至会停止在相当于0.254厘米厚的铅内。
1953年，由洛斯阿拉莫斯科学试验室的考恩和莱因斯共同领导的一组物理学家，开始尝试这件近乎不可能的探测工作。他们把探测中微子的设备建在佐治亚州萨凡纳河边原子能委员会的一个大型核裂变反应堆旁。这个反应堆可以提供中微子流，极有希望释放出大量的反中微子。为了捕捉反中微子，实验人员使用几个装满水的大水槽，计划让反中微子冲击水中的质子即氢原子核，然后达到探测质子捕捉反中微子的结果。
情况会如何呢？当1个中子分解时，产生1个质子、1个电子和1个反中微子。所以1个质子吸收到1个反中微子后，应会产生上述逆反应。也就是说，质子将转变为中子，并在此过程中放射出1个正电子。所以有两个可证明反中微子存在的粒子必须找出来，一是中子，一是正电子。在水中溶解镉化合物可以检测出中子的存在，因为镉吸收中子后，会放出具有特定能量的γ射线。而正电子的产生可由它和电子的湮灭作用中放射出的另一种γ射线鉴别出来。如果实验仪器探测到这两种特定的γ射线，而且这两种射线又被确切的时间分离开，则物理学家将可确定已经捕捉到反中微子。
实验人员安置好精巧的探测仪器后，开始耐心地等待；直到1956年，恰为泡利提出中微子的1/4世纪后，终于捕捉到了反中微子。当时的报纸甚至一些学术性的期刊只简单地称之为中微子。
要捕捉到真正的中微子，我们需要一个富含中微子的放射源，而最明显的一个就是太阳。就像中微子和反中微子是对立的一样，既然发现反中微子的设备已经出现，那么能够用来探测与反中微子相对的中微子的设备到底是怎样一个系统呢？意大利物理学家庞蒂科沃提出了一个可能的方式，就是使用占氯原子总数约1/4的氯同位素氯-37。1个氯-37原子核中的中子吸收1个中微子，这个中子就会变成质子，同时也会放出1个电子。然后原子核内将有18个质子和19个中子，而变为氩-37。
为了做成一个相当大的氯中子靶，可能必须使用液态氯，但是氯是一种强腐蚀性而又含有剧毒的物质，不但如此，若要一直保持氯在液态状况，冷冻技术上更有相当的困难。因此选用含氯的有机化合物来代替氯，有一种叫做四氯乙烯的氯化物非常适合捕捉中微子的需要。
美国物理学家R.R.戴维斯在1956年用四氯乙烯做了一个捕捉中微子的陷阱，以证实中微子和反中微子间确实存在差异。假若这两种粒子的确不同，这个陷阱将只能探测到中微子而不是反中微子。1956年，此项设备安装在一个核裂变反应堆的附近，如果中微子和反中微子完全相同，那么它应该能探测到反中微子，但是结果并非如此。
