云室是利用射线使气体电离的性质，来探测射线粒子并显示它们的径迹的仪器。云室是英国物理学家威尔逊（1869－1959年）于1911年发明的，人们通常称它为威尔逊云室。
云室的主要结构是在一个金属圆筒的上面连接一个塑料或玻璃制的容器，它的下面装有一个可在小范围内上下移动的活塞，上盖是透明的，可以观察室内发生的现象和进行照相。实验时，先在云室里加一些酒精（或乙醚），使室内充满酒精的饱和蒸汽。然后，使活塞迅速向下移动，由于云室内酒精饱和汽迅速膨胀而降低温度，成为过饱和汽。这时，如果有射线粒子在室内飞过，在它经过的路径上的气体分子被电离，每厘米长度上可产生数百到上万对离子，过饱和汽就会以这些离子为中心凝结成一条雾迹。
利用云室可以清晰地看到α粒子和β粒子的径迹。α粒子的电离本领大，它的质量也比较大，在气体中运动时不易改变方向，所以它的径迹粗而直。β粒子的电离本领较小，它的质量又很小，在运动中跟气体分子的电子碰撞时容易改变方向，所以它的径迹比较细，有弯曲。γ粒子的电离本领更小，只能产生一些细碎的雾迹。在历史上云室第一次把微观粒子的径迹呈现在人们眼前，所以曾被卢瑟福赞为“科学史上最妙不可言的新颖仪器”。
盖革·缪勒计数器简称G-M计数器，它是利用射线进入探测器时，在电子线路中引起脉冲电流来记录进入的粒子数量的仪器。计数器的主要部分是计数管，它是一根玻璃管，里面有一个导电的圆筒作为阴极，管的轴线上有一根细的金属丝作为阳极。管内充有惰性气体（如氩、氖）和少量的乙醇蒸汽和溴蒸汽。在两极间加上1000V以上的电压，这个电压略低于管内气体的击穿电压。
当射线粒子飞进管内，气体电离产生了电子。电子在强电场作用下向阳极加速运动，碰到气体分子又可使气体电离再产生电子，在很短时间内就会产生大量电子。这些电子到达阳极，正离子到达阴极（正离子质量大，运动速度小，不会使气体分子电离），使计数管中发生一次短暂放电，从而产生一个脉冲电流，并通过电子设备记录下来。记录的脉冲电流的次数，就是进入探测器的带电粒子数目。计数器不能分辨射线的种类，只能测出进入探测器射线粒子的数量。
二、放射性元素的衰变
铀、镭、钋都是放射性元素，但并不代表只有这三种元素具有放射性。实验告诉我们，原子序数大于83的天然存在的元素都具有放射性，它们的原子核都不稳定，会自发地放出射线变为另一种元素的原子核。原子序数小于83的天然存在的元素，也有一些具有放射性。
某种元素的原子核，放出一个α粒子或β粒子后，就变成了新的原子核。我们把原子核由于放出某种粒子而转变成新核的变化叫做原子核的衰变（disinte-grate）。
在原子核物理中，又怎样来表示各种元素的原子核以及它们的转变呢？通常把基元电荷取作电荷的单位，用来表示原子核的电荷数。把原子量为12的碳原子质量的1/12取作为一个原子质量单位（用符号u表示，1u=1.660565×10-27千克），并用原子质量单位表示各种原子核的质量（由于都非常接近于整数，习惯上常用整数表示）。
假设X为某一元素的符号，在其左上角标以原子核的质量数（A），左下角标以原子核的电荷数（Z），那么AZX就是元素X的原子核的符号。比如168O就是氧核的符号。23892U是铀核的符号。42He是氦核的符号。用0-1e来表示电子（即β粒子）的符号。
因为电子的质量比原子核的质量小得多，一个原子核放出一个β粒子，它的质量几乎不变，所以在衰变过程中可以认为电子的质量数为零，电荷数是-1。
原子核自发地放出α粒子的衰变叫做α衰变。例如23892U（铀核）发生α衰变转变成23490Th（钍核）。23688Ra发生α衰变转变为22286Rn（氡核）。上述α衰变可用下面的方程来表示：
23892U23490Th＋42He
22688Ra22286Rn＋42He
述β衰变可用下面的方程表示：
6027Co6028Ni＋0-1e
23490Th23491Pa＋0-1e
从上面的α衰变和β衰变的方程可以看出，在衰变前，原子核的质量数和电荷数与衰变后生成的新核及放出的粒子的质量数与电荷数是守恒的。
放射性元素的原子核在发生α衰变或β衰变生成新原子核时，常常同时会辐射出γ光子，所以γ光子是伴随着α粒子或β粒子产生的。例如23592U在放射α离子的同时也伴随γ光子的辐射。60Co在放射β粒子的同时也伴随γ光子的辐射。当放射性物质连续发生衰变时，各种原子核有的发生α衰变，有的发生β衰变，同时伴随γ辐射，这时在放射线中就会有α、β、γ三种射线。
放射性元素经过一次α衰变或一次β衰变后生成新元素，它在元素周期表中的位置的移动有着特殊的规律。
衰变是不稳定的原子核自发转变为另一种原子核的过程，对同一种放射性元素的大量原子核来说，它们的衰变不可能同时发生，而是有先有后。但是对任何放射性元素，它原来的原子核数将随时间的增长变得越来越少。
为了研究放射性不同放射性元素的原子核减少一半所需时间是不相同的，我们用半衰期（half-life）来表示放射性元素衰变的快慢。半衰期是放射性元素的原子核有半数发生衰变所需要的时间。
每一种放射性元素都有一定的半衰期，各种放射性元素的半衰期差别很大。例如镭226变为氡222的半衰期是1620年，而铀238变为钍234的半衰期长达4.5×109年，跟地球的年龄相当。有的放射性元素的半衰期则很短，例如钍234变为镤234的半衰期是1.2分，而钋212变为铅208的半衰期竟短到3×10-7秒。
各种放射性元素的半衰期是由这种元素的原子核内部本身的因素决定的，也就是说半衰期是不因原子所处的物理状态或化学状态的不同而发生变化。
原子核的人工转变
一、原子核的人工转变
天然放射性元素的衰变事实告诉我们，原子核的结构是复杂的，而且内部结构可以变化。为了进一步研究原子核的结构及其变化规律，单靠天然放射性元素的衰变是不够的，因为天然存在的放射性元素的数量有限，所以有必要用人工的方法使原子核发生转变。为此，物理学家们利用天然放射性元素所放出的高速粒子去轰击其他元素的原子核，使它们发生剧烈的相互作用，从而去探索原子核的结构。
二、质子的发现
1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮核的实验，是第一次实现原子核的人工转变，并发现了质子。他所用的实验装置，A是放射性物质，F是银箔，选择银箔的厚度使从A射出的α粒子恰好能被完全吸收，而不能穿过。S是荧光屏，M为显微镜，可以观察荧光屏上是否出现闪光。当容器通过阀门T通入纯净的氧气或二氧化碳时，荧光屏S上没有闪光，说明这时α粒子已全部被银箔F吸收。当容器内通入纯净的氮气时，荧光屏S上出现闪光。卢瑟福认为，这闪光一定是α粒子击中氮核后，产生的能量较大的新粒子透过银箔引起的。
后来，测出这种粒子的质量和电量，才知道它就是氢原子核，又叫做质子，符号为11H或11P。
这种用人工的方法使原子核发生转变的过程叫做原子核的人工转变。以上实验中的人工转变，可用下面核反应方程表示：147N＋42He178O＋11H
从上面核反应方程可以看出，原子核的人工转变过程中的电荷数和质量数也是守恒的。
在许多α粒子的径迹中有一条径迹发生了分叉，分叉后细而长的是质子的径迹，粗而短的是一新生的氧核的径迹，分叉处就是氮核俘获α粒子发生人工转变的地方。α粒子轰击氮核的命中率极小，因此要拍摄成千上万张照片才能得到一张可靠的照片。英国物理学家希拉凯特拍摄了2万多张照片，在40多万条α粒子径迹中，才发现有8条产生分叉。
后来科学家们发现，除了氧和碳以外，原子序数在21以下的较轻元素的原子核，在α粒子轰击下都能发生类似的转变，都放出质子。由于多种原子核里都能打出质子来，这就表明质子是原子核的组成部分。
三、中子的发现
在原子核中，除了质子以外，还有什么呢？卢瑟福曾预想到原子核内可能还存在着质量跟质子相等的不带电的中性粒子，他把这种粒子叫做中子（neutron）。
1930年，科学家们发现放射性元素钋（Po）发出的α粒子轰击铍（Be）时，会产生一种看不见的射线，这种射线的贯穿本领极大，在电场和磁场中都不会偏转，当时认为这种不带电粒子可能是能量很高的γ射线。
1932年，约里奥·居里夫妇发现用这种射线轰击石蜡时，会从石蜡中打出高速的质子。经过测量和计算，发现石蜡放出的质子的能量是巨大的，能使质子获得这样巨大能量的γ光子，本身必须具有55兆电子伏（MeV）的能量，而实际测定α粒子打击铍后产生的粒子的能量仅为7兆电子伏（MeV）。由此可见，这种不带电的粒子不可能是γ光子。卢瑟福的学生查得威克（1891-1974年）经过实验和研究，证实了这种不带电的粒子，质量差不多与质子相等。卢瑟福预想的中子终于被证实了。
中子的质量数是1，电荷数是零，用符号10n表示。α粒子轰击铍产生中子的核反应方程是：94Be＋42He126C＋10n
后来的研究证明，很多种原子核在高速粒子轰击下都能放出中子来，可见中子也是原子核的组成部分。