这之后，人们又利用其他物质的原子核作为靶子进行了类似的实验。结果发现，硼（B）、氟（F）、磷（P）、钠（Na）、铅（Pb）等原子核在α粒子的撞击下，也同样有质子产生。于是，很自然地会引起人们的思考，质子会不会就是构成原子核的基本成员呢？如今，答案已是非常肯定的。
原子核在具有一定能量粒子的作用下，性质发生改变的过程，称为核反应过程。通常用下面的关系式表示出来：
x+XY+y
或写成
X（x，y）Y
小写字母x叫做入射粒子，大写字母X叫做靶核，小写字母y称为出射粒子，大写字母Y称为生成核。
人工核反应的实现，为人们敲开原子核的大门找到了可行的方法和途径。在原子核物理学发展史上具有重要意义的典型核反应还有：
（1）历史上第一次在加速器上实现的核反应
1932年，英国实验物理学家考克拉夫和瓦耳顿制成了一种叫做高压倍加器的加速器，利用这种装置能够将质子的能量加速到500兆电子伏，然后用这种高能量的质子作为炮弹轰击锂原子核。实验中观察到如下的核反应过程：
11H+73Li42He+42He
或
72Li（p，α）42He
这是人类历史上第一次利用加速器完成的核反应过程。
（2）历史上第一次人工制造放射性元素的核反应
1934年，约里奥·居里夫妇利用α粒子打击铝（Al）箔时，观察到了一种带有正电荷的电子，称为正电子。这种粒子除了电荷与我们已熟悉的电子电荷性质刚好相反外，其他性质完全相同。这种过程可以表示为：
42He+2713Al3015P+10N（n）
磷-30具有放射性，它放出一个正电子后，衰变为一种新的原子核，即是
3015P3014Si+0+1e。
这是历史上第一次利用人工方法制取放射性元素，从而开辟了一个全新的研究领域，也为人们生产放射性元素打开了方便之门。
（3）原子核裂变的发现
1938年12月，德国化学家奥托·哈恩（1879—1968年）与他的助手弗里斯·斯特拉斯曼在实验中发现，用中子打击铀（U）原子核时，所得到的生成物中存在具有放射性钡（Ba）那样的中等原子核。1939年1月，哈恩将这一惊奇的发现报告给了过去与他合作过的奥地利女物理学家利斯·迈特纳（1878—1968年）。迈特纳对这一实验结果非常重视，并给出了正确的解释。她认为这种现象可以用铀原子核的裂变加以说明，因为铀核非常重，稳定性非常小，一旦遭打击，便容易分裂为质量差不多相等的两个碎块。变化过程表示为
10N（n）+23592U14656Ba+9036Kr
钡-56和氪-36都具有放射性，它们可以进行一系列放射性衰变，这就是历史上首次发现核裂变现象。核裂变的发现，为人类利用原子能开辟了广阔的前景。原子能发电站、原子能破冰船相继问世，为解决能源问题独辟蹊径。
（4）原子核聚变
一些轻的原子核可以聚合成比较重的原子核，这种核变化的过程称为原子核的聚变。最具代表性的核聚变是：6个氘核（21H）可以聚合成2个氦原子核，同时有2个质子和2个中子产生。这过程表示成
621H242He+211H+210N
氘核聚合成较重的原子核时，为了克服各氘核间静电的排斥作用，需要几千万度，甚至上亿度的高温。在这样条件下，由于氘核具有非常大的动能，因而可以相互靠近，从而发生聚变。因此，这种核变化的过程又叫做热核反应。
聚变中主要的原料是氘核，在水中蕴含着大量的氘核，水遍布五大洲、四大洋。仅就海水而言，氘核的含量非常丰富，约占海水总量的六千分之一。地球上海水约有1.37×1018吨。如果把海水中的氘核全部提取出来，让它们产生聚变，释放出来的能量可供人类使用200亿年，真可谓取之不尽、用之不竭。
目前，实现核聚变还有许多难题没有解决，这正是当今原子核物理学中一项重大的前沿课题，是一项跨世纪的大工程。
我国可控聚变反应的研究早在20世纪的50年代就开始了。1976年12月，我国第一座托卡马克型受控聚变研究实验装置——“中国环流器一”号（HL-1），在四川省乐山市郊区破土动工，1984年9月21日建成并顺利启动。标志着我国受控聚变研究领域的实验装置和实验手段有了新的发展和提高。“中国环流器一”号在世界同类装置中属于先进的类型，它的建成使我国受控核聚变这一重大课题的研究迈出了一大步，将为人类探索最终解决能源问题做出自己的贡献。
原子核聚变广泛存在于自然界中，它是宇宙间主要的能量来源。太阳和其他许许多多的恒星所以能够源源不断地向周围广阔空间发出光和热，其能量的源泉就是这些恒星内部不断进行的聚变反应。一般来说，聚变过程主要有两种类型：
（1）碳循环过程
聚变反应的主要方程式有
11H+126C137N
137N136C+0+1e+ν
11H+136C147N+γ
11H+147N158O+γ
158O157N+0+1e+ν
11H+157N126C+42He
式中，ν表示一种不带电的中性小粒子，叫做中微子。整个循环过程中，碳核只起催化剂的作用，不增加也不减少。循环的结果是
411H42He+20+1e+2ν
同时释放出大量的能量。
（2）质子-质子循环
聚变反应过程是这样进行的：
11H+11H21H+0+1e+ν
11H+21H32He+γ
32He+32He42He+211H
循环的最终结果与前面是一致的：4个质子参与聚变，产物相同。
对于每一颗恒星来说，它的内部进行哪一种类型的聚变反应，取决于反应的温度。当温度低于1.8×107K时，以质子-质子循环为主。太阳中心的温度只有15×107K，因此，太阳内部产生能量的机制质子—质子循环占96％。对于一些比较年轻的恒星来说，碳循环显得更重要。
太阳每天燃烧5×1016千克氢，转化为α粒子，这相当于每秒钟爆炸900亿颗百万吨级的氢弹所释放出来的能量。照射到地球上的能量只占太阳所产出能量的一万亿分之五，这些能量是目前地球上所使用能源的10万倍。
聚变反应具有许多优点：
①核聚变所需原料非常丰富，取之不尽。
②聚变中每单位质量释放出来的能量要比裂变中释放出来的能量高出了3～4倍。
③聚变反应中主要的生成物是α粒子，这是一种非常稳定的核素。由于α粒子没有放射性，不用担心污染环境。因此，聚变反应是非常理想的能源。
④聚变反应中有大量的中子产生，用它可以生产出裂变反应中所需要的原料钚。
由此可见，可控聚变反应的研制具有非常重要的意义和经济价值。
约里奥·居里夫人的遗憾
质子发现以后，人们自然会提出，原子核是由什么组成的呢？这是摆在人们面前需要回答的问题。为此，人们就曾设想用已经知道的粒子来探索原子核的内部结构。其中最具有代表性的想法，认为原子核是由质子与电子组成的。在天然放射性现象中，原子核会自发地向外放射出电子。因此，在原子核内存在有电子的想法是件很自然的事。许多实验已经证实，质子是原子核中最基本的成分。由于电子的质量非常小，对原子核的质量不会产生多大的影响。另外，电子带有一个单位的负电荷，能抵消原子核内一部分正电荷。这种构思方式，表面看来有一定的道理，它符合当时已经知道的一些事实。然而，经过深入研究以后发现，哪怕在原子核只存在一个电子的情况下，原子核磁矩的理论值与实验结果相比较，会产生很大的偏差；另外，从原子核的自旋数值、电子能量的大小等方面考虑都出现了许多矛盾。因此，在原子核内不允许有电子的存在。既然如此，原子核内是否还存在尚未被人们认识的微观粒子呢？
1920年，卢瑟福根据已经知道的一些实验事实，推测原子核内还应当存在一种与质子质量相当，但不带有电荷的中性粒子。
1930年，博恩和贝克尔用α粒子轰击铍原子核（94Be）时，观察到一种穿透能力很强的中性粒子。从当时人们已经知道的α粒子、β粒子、γ光子来看，只有γ光子不带电，而且穿透能力非常强。于是，他们便将这种穿透力很强的中性粒子认为是γ光子。
1932年，约里奥·居里夫妇改进了实验设备，重新进行这一实验，整个过程分两步进行的。首先，让α粒子打击铍原子核，获得中性粒子；然后，再让这种中性粒子撞击石蜡，观察有什么现象发生。实验结果发现，从石蜡中有质子被打出来，质子的能量高达6兆电子伏。对实验结果的分析，他们确认这种粒子为γ光子。
这种判断显然是不合理的。通过计算会发现，要从石蜡中打击出能量为6MeV能量的质子，这种中性粒子需要具有60MeV的能量。第一步实验中产生的γ光子，要具有这么高的能量显然是不可能的。由于约里·居里夫妇对实验结果判断的失误，因而失去了一次荣获诺贝尔奖的良机，在约里·居里夫妇一生辉煌的科学生涯中永远是一件憾事，对后来人也是有益的启迪。
同年，英国著名的物理学家詹姆斯·查德威克（1891—1974年）利用英国剑桥卡文迪许实验室的优越条件，重新进行了这方面的实验。实验装置如图5-15所示。由放射源钋（P0）释放出来的α粒子，打击用铍（Be）制作的样品，产生一种看不见的中性粒子。再用这种粒子打击装置中静止的氢原子，于是便有质子被打出来，可以利用观察镜M进行观测。通过分析比较，断定这种粒子不是γ光子，而是质量与质子质量差不多的一种中性粒子，命名为中子，用字母n表示。至此，十几年前，查德威克的老师——卢瑟福曾预言中子的存在；如今，他终于圆了老师的梦。查德威克在写给英国《自然》杂志编辑部的一封信中，曾明确指出：如果我们假设这种粒子的质量为1，电荷为0，即中子，那么，一切难题就可以迎刃而解了。
发生这种核反应的过程可以表示为
42He+94Be126C+n
查德威克因发现中子，对原子核物理学做出了突出贡献，因而荣获了1938年度诺贝尔物理学奖。
中子的发现，打开了人们的眼界，可以说是人类认识原子核内部结构的一个转折点。这之前，人们对原子核内部结构的认识是不清楚的。发现了中子之后，人们才明确了原子核是由质子和中子组成的。质子和中子统称为核子。
电子的发现，打开了原子的大门，为人们探索原子的内部结构，建立原子模型奠定了基础；同样，中子的发现，为人们揭开原子核的秘密、探索原子核的内部性质，建立原子核的结构模型奠定了基础，从而开创了人类研究原子核的新时代，具有重大的理论意义。
不仅如此，中子的发现还为原子能的利用开辟了广阔的前景。人们在研究中发现，由于中子不带电，很容易接近原子核，引起重原子核发生裂变。比如，大家已经知道的铀-235被中子轰击后分裂成两个中等的原子核，同时释放出大量的能量。倘若能连续不断地引发大量的铀核裂变，便有许许多多的能量释放出来，从而为人类所利用。
因此，人们一般认为，人类进入原子能时代的大门是被中子打开的。
神秘的核力
揭示原子核内部的秘密要比研究原子问题困难得多。在原子中，电子与原子核之间相互作用属于库仑力。这种力的性质人们已经非常熟悉，但在原子核内，质子与中子、中子与中子、质子与质子之间的相互作用力的性质比库仑力要复杂得多。核子之间的相互作用力称为核力。对核力性质的研究虽然已经历了几十个年头，至今仍有许多未解之谜，致使给原子核内部结构、性质、运动规律的研究带来了很大的困难。60多年来，通过大量的实验观察和理论的探讨，人们对核力性质的认识有了很大的进展。概括起来表现在以下几个方面。
核力是一种强相互作用
原子核非常小，半径在10-15米以下。在这样小的体积内，容纳几个到几百个核子。其中质子带有正电荷，在这样短的距离内，从库仑定律可以知道，两个质子之间的排斥力是非常强的，超过100牛顿。由于每个核子质量很小，仅有10-27千克，那么核子之间的引力作用是微不足道的，靠它不可能将核子聚集在一起。因此，在核子之间必然存在一种人们以前尚未认识的力。作用在核子之间的这种新力，就是核力。要想将几个、几十个甚至几百个核子聚在10-15米这样一个区域内，可以看出核力是多么的强大。核力的强度约为质子之间电磁相互作用的100倍，是核子之间引力相互作用的1038倍。堪称自然界中，人们已经认识到的各种相互作用的大亨。正因为核力如此强大，才能克服质子间的库仑斥力作用，将核子紧紧地结合在一起。
核力是一个短程力
两个带有一定电荷的物体相距足够远的时候，它们之间的库仑相互作用依然能够表现出来；月亮与地球、地球与太阳相隔那么遥远，它们之间的引力作用依然存在。正是靠这种作用力，月亮围绕地球、地球围绕太阳才能周而复始地运转着。人们称这种相互作用力为长程力，意味着这两种作用力的力程非常长。而核力的作用则不然，它的作用范围非常短，只有10-15米。在这样短的距离内，核力表现非常强，一旦超过这个范围，核力就迅速减少为零。这一点截然不同于电磁力和万有引力。因此，核力称为短程力。
核力与电荷无关
早在1932年的时候，德国理论物理学家海森伯（1901—1976年）就曾提出一种假设，在原子核内，质子与质子之间，中子与中子之间，质子与中子之间具有相同的核力。这就是说，核子之间的相互作用与核子是否带电没有关系，核力的这种特性称为电荷的对称性。
1937年，海森伯的这种假设已被实验初步得到证实。在1946—1955年的10年间，这个假设被更为精确的实验所证明。
通过实验和理论计算，人们注意到，各种各样的原子核，它们的密度基本相同，与原子核内质子数和中子数的多少没有影响。计算结果为2.3×1017千克／米3，表明原子核的密度是一个常数。密度这样大的物质在地球上还未曾发现过，但在宇宙间是存在的。比如，一颗恒星演化到后期的白矮，它的密度可达到109～1011千克／米3。中子星的半径仅为10千米左右，而它的质量却为太阳的两倍，其密度可高达1017～1018千克／米3。