原子轰击
尽管原子量的整数值是原子核复杂性的一个有力论据，但这种复杂性最终只能依靠直接将原子核分裂为两个或更多独立部分的实证证明。
1896年，贝克勒尔（Becquerel）对放射性的发现提供了这种分裂确实可能发生的首个证据。他的发现表明，铀和钍等位于元素周期表末端的元素的原子会自发产生高穿透性的辐射（类似于普通的X射线），这是因为这些原子会进行缓慢的自发衰变。人们对这种新发现的现象做了细致的实验研究，并很快得出一个结论，即重核会在衰变过程中自行分解为两个不相等的部分：①一个小碎片，氦原子核，称为α粒子；②原始原子核的剩余部分，即子元素的原子核。当原始的铀原子核破裂，发射出α粒子后，留下的子元素的原子核称为铀X1，它会经历内部的电荷调整，释放出两个带负电的自由电荷（普通电子），从而变成铀的同位素的原子核，它比原始铀的原子核轻四个单位。接下来，它还会经历一系列α粒子发射和电荷调整，直到变为稳定的不会继续衰变的铅原子核为止。
这种交替释放α粒子和电子的放射性衰变也能发生在另两类放射性元素中，即钍系和锕系元素。这三类元素经过持续自发的衰变后，最终会变成三种铅的同位素。
细心的读者可能发现了，我们在上一节讲过，元素周期表后半段的所有元素的原子核都是不稳定的，也就是说，在这些原子核中，倾向于分离的电排斥力大于倾向于聚合的表面张力。那么，既然所有比银重的原子核都是不稳定的，为什么我们只在铀、镭、钍等少数几种元素中观察到了自发性的衰变呢？答案是，从理论上讲，所有比银重的元素都应被视为放射性元素，而且实际上，它们也的确在缓慢地衰变为更轻的元素。但在大多数情况下，这种自发衰变进行得非常缓慢，以至于无法察觉。因此，诸如碘、金、汞、铅之类的大家熟悉的元素，在几百年的时间里，可能只有一两个原子会分裂，哪怕最灵敏的物理仪器也无法捕捉到如此缓慢的变化。只有在那些最重的元素中，自发分裂的趋势才足够强，可以产生能观察到的放射性。[14]这种衰变的相对速率还决定了具体原子核的分裂方式。例如，铀原子的原子核有多种不同的分裂方式：它可以自发地分裂成两个相等的部分，或三个相等的部分，或好几个大小各异的部分。但最简单的分裂方式就是分裂成一个α粒子和剩余的重元素部分，因此，这也是铀核最常见的分裂方式。观测显示，铀核自发分裂成两半的可能性是抛出一个α粒子的可能性的一百万分之一。因此，在1克铀中，每秒都会有上万个原子核发射出一个α粒子，而可能隔几分钟才能看到一个铀核自发裂变为相等的两半！
放射性现象的发现不容置疑地证明了原子核结构的复杂性，也为人造（或者说诱发）核衰变的实验铺平了道路。一个问题应运而生：非常不稳定的重元素的原子核能自发衰变，那么，如果用高速粒子强力轰击一些稳定元素的原子核，它们是否会分裂呢？
正是想到这一点，卢瑟福决定让各种稳定元素的原子遭受一波由不稳定的放射性原子核自发分裂释放出的核碎片（α粒子）的轰击。卢瑟福1919年进行首次原子核衰变实验时使用的装置如图7-11所示，它与当今几座物理实验室中使用的巨型原子撞击器相比，简单到了极点。装置中有一个真空的圆柱形容器，容器中有一个用荧光材料（c）制成的薄窗，作为屏幕。轰击物α粒子来源于沉积在金属板上的一层薄薄的放射性物质（a），被轰击的元素（在这里为铝）被做成了一层薄膜（b），放在一段距离外。铝箔安放的位置使其能接受一切入射的α粒子，它们绝不可能照亮后面的屏幕。这样一来，只要前面的轰击不会造成铝箔上产生次级核碎片，屏幕上绝不可能出现亮光。
图7-11 原子是如何被首次分裂的
一切就位后，卢瑟福开始透过显微镜观察屏幕，他看到的景象绝非一片黑暗。整块屏幕上涌现了不计其数的微小光点！每个光点都是质子撞击屏幕材料造成的，而每个质子都是入射α粒子从铝原子中击出的“碎片”。就此，对元素进行人工衰变的理论可能性成为科学认定的事实。
卢瑟福完成这项经典实验后的几十年，元素人工嬗变的科学成了物理学中最大，也最重要的分支之一，不论是在制造高速的核轰击粒子方面，还是在对结果的观测方面，都取得了重大进步。
能让我们用肉眼观看高速粒子撞击原子核的最理想的工具被称为云室（发明家为威尔逊，因此也称威尔逊云室），如图7-12所示。其原理基于这样一个现象：高速移动的带电粒子（如α粒子）穿过空气或其他气体时，会在途中让遭遇的粒子产生一定程度的扭曲。这些粒子具有强大电场，它们能从途经的原子内剥离掉一个或多个电子，留下大量遭电离的离子。这种状态不会持续很长时间，因为高速粒子通过后不久，离子又会捕获电子，回到正常状态。但如果发生这种电离的气体中饱含水蒸汽，则每个离子上会形成微小的水滴，这是水蒸气的一种特性，它倾向于积聚在离子、粉尘等颗粒物上，如此，高速粒子经过的路径上就会留下一溜细小液滴。换句话说，带电粒子穿过气体时的轨迹就会变得清晰可见，就像飞机拉烟一样。
图7-12 威尔逊云室示意图
从技术角度看，云室是一种很简单的设备，主要组件包括：一只金属圆筒（A），筒上的玻璃盖（B），筒内活塞（C），可上下移动的活塞，但图中未显示移动机关。玻璃盖与活塞表面之间充满空气（如有需要，也可采用其他气体），其中包含大量水蒸气。如果在一些高速粒子通过窗口（E）进入云室时，立即将活塞拉下，活塞上方的空气就会冷却，水蒸气将会沿粒子轨迹凝结为薄雾带。在侧窗（D）透入的强光照射下，以及黑色活塞的衬托下，雾带会很清晰，并可使用与活塞联动的照相机（F）自动拍摄下来。这一简单装置是现代物理学中最有价值的装置之一，它能为我们拍下最精美的核轰击照片。
当然，我们也希望设计一种通过在强电场中加速各种带电粒子（离子）制造出强粒子束的方案。这样不仅能摆脱对稀有昂贵的放射性物质的依赖，还能使用其他类型的高速粒子（比如质子），并获得比普通放射性衰变释放的高速粒子更高的动能。此类制造强大的高速粒子束的机器，有几种最为重要：静电发生器、回旋加速器和直线加速器，图7-13、图7-14和图7-15分别概述了它们的外形及工作原理。
图7-13 静电发生器原理[15]
图7-14 回旋加速器原理[16]
图7-15 直线加速器原理[17]
使用上述加速器可制造出各种强大的粒子束，用这些粒子束轰击不同材料制成的靶子，便可获得大量的核嬗变，而透过云室摄影法，我们可以方便地研究这些核嬗变。图版Ⅲ和图版Ⅳ即此类核嬗变流程的照片。
第一张此类照片是由剑桥大学的布莱克特（P.M.S.Blackett）拍摄的[18]
那是一张天然α粒子穿过氮气云室的照片。首先，这些照片显示出，粒子轨迹的长度都是有限的，这是因为粒子在气体中穿行时会逐渐耗尽动能，最终停滞下来。粒子轨迹的长度主要分为两类，分别对应着粒子源中存在的两类不同的α粒子，它们携带的能量不同（粒子源是钍的同位素ThC和ThC′的混合物）。我们也会注意到，α粒子的轨迹基本都是笔直的，一直到接近尾部时，由于粒子已经失去大部分初始能量，才更容易在沿路氮核的非直接撞击下偏离直线轨迹。但在这张星状照片中，有一条轨迹很特别，它显现了明显的分叉，分叉的一边长而细，另一边短而粗。这是入射的α粒子与云室内一个氮核正面相撞的结果。细长的轨迹是氮核中被撞出的质子的轨迹，短粗的轨迹则是氮核本身被撞向一边的轨迹。由于没有第三条轨迹对应弹开的α粒子，这表明那颗入射粒子附着在了氮核上，被一起撞向了一边。
图版Ⅲb显示了人工加速的质子与硼核碰撞后的效应。从加速器的喷嘴（照片中间的暗影）发出的高速质子束击中开口对面的一层硼片后，核碎片会穿过空气向四面八方飞散。照片显现了一个有趣的
① 该反应式为：
。
图版Ⅲa拍摄的是高速氘核（由一个质子和一个中子形成的重氢核）与目标材料中的其他氘核撞击的情况。[20]
图中的较长轨迹对应着质子（
核），较短轨迹对应着质子三倍重的氚核。
云室核反应的照片若没有中子的参与将是不完整的，毕竟，中子和质子一样，是原子核的主要结构部分。
但在云室图像中寻找中子轨迹注定是徒劳的，因为这些不带电的“核物理学黑马”在穿过物质时不会产生任何电离。不过，当你看到猎人的枪口冒了烟，又看到鸭子从空中坠落，就知道有一颗子弹射出了，哪怕你看不见它。同样，面对图版Ⅲc这张云室照片，你看到氮核分裂成了氦核（向下的轨迹）和硼核（向上的轨迹），此时，你也一定会想，它一定遭受了左边某个看不见的粒子的重击。的确如此，要拍出这样的照片，我们必须在云室左壁放置镭和铍的混合物，作为快中子的来源。[21]
只要将中子源所在的位置与发生氮原子分裂的点连起来，就能得出中子在云室中移动的直线轨迹了。
图版Ⅳ显示了铀核的裂变过程，该照片由包基尔德（Boggild）、布罗斯特伦（Brostrom）和劳里森（Lauritsen）拍摄。涂有被轰击铀层的铝箔上沿相反方向飞出了两个裂变的碎片。当然，图中是看不见引发裂变的中子和裂变产生的中子的。利用加速粒子轰击原子核的方式，我们可以得到不计其数的核嬗变类型，更多例子在此就不赘述了，现在是时候转向轰击效率这个更重要的问题了。别忘了，图版Ⅲ和图版Ⅳ中所示的只是单个原子的分裂情况，比如要把1克硼完全变成氦，我们必须分解完其中全部的55 000 000 000 000 000 000 000个原子。眼下，最强大的加速器每秒只能产生约1 000 000 000 000 000个高速粒子，即使每个粒子都能分裂1个硼核，这台机器也要运行5 500万秒才能完成任务，即大约需要两年。
实际上，各种加速器产生的带电粒子的效率远没有这么高，通常几千个粒子才能有一个造成被轰击物质中的一个原子核破裂。之所以效率如此低下，是因为原子核周围的电子能减缓飞来的带电粒子的速度。作为轰击靶子，原子的电子壳层的“靶面积”远大于原子核的“靶面积”，而我们当然无法将高速粒子直接对准原子核，因此，每个高速粒子势必会首先穿透许多电子壳层，才有可能命中一个原子核。图7-16描绘了这种情况，其中，实心黑点代表原子核，浅阴影代表电子壳层。与图片不同，实际上，原子直径大约为原子核直径的10 000倍，因此原子受轰击的目标面积大约为原子核的100 000 000倍。另外，我们知道，带电粒子穿过一个原子的电子壳层后，能量会损失万分之一，因此它会在穿过约10 000个原子的电子壳层后，完全停滞下来。从这些数字不难看出，在10 000个高速粒子中，大约只有一个有望在初始能量被电子壳层耗尽前，撞上一个原子核。带电粒子对目标材料的核破坏的效率如此之低，算下来，要使1克硼全部完成核嬗变，我们必须使一台现代原子撞击器工作至少两万年！
图7-16 高速粒子首先要穿透许多电子层才可能命中一个原子核