原子是由电子和原子核组成的，原子核又是由质子和中子组成的，利用原子核能还可以发电。
这在今天已是中学生们都知道的常识了。可是过去，在很长很长的时间中，人们并不知道这一点，人们一直以为，原子是组成物质的最小的不可分的微粒。
原子的概念最早是由2500多年以前古希腊哲学家留基伯和他的学生德谟克利特提出来的。他们认为宇宙万物都是由看不见的，不可再分的微粒组成的，这种微粒就叫原子。在古希腊文中，原子一词的原意就是不可分的。当然，那时谁也没有看到而且也无法证明原子是存在的，原子只不过是先哲们头脑思辨的产物。
是英国化学家道尔顿第一个把原子论建立在了科学的基础上的。1808年，道尔顿提出，物质是由不可分割的最小微粒——原子组成，同一种元素是由同一种原子组成，而化合物则是由不同原子按不同比例组成的。无数的化学反应都证明了他的原子学说：不管化学反应怎样千变万化，原子始终是不变的，不同原子组合在一起，组成了千千万万不同的化合物。
从此，人们对原子学说深信不疑，原子是组成物质的最小微粒在几乎整整一个世纪的时间中，都被科学家们当做是无可怀疑的真理。
那么，人们是怎样发现原子是可分的，是由更小的粒子组成的呢？又是怎样把隐藏在原子核内的巨大能量释放出来的呢？
打开通往基本粒子物理学的大门
19世纪，随着电磁学的兴起，人们对电发生了浓厚的兴趣。电的本质是什么？要是能把电流从导线中取出来看一看就好了。
人们发现，当电路断开，中间有一个小空隙时，电流依然可以通过，并打出电火花，发出劈啪声。不过亮光和声音本身并不是电，那是电流与空气作用的结果。要想真正探测到电，应该让电流通过一个真正空无一物，连空气也没有的间隙。1836年，法拉第曾做过真空放电管的实验，可惜他的放电管真空度不高。
1855年，德国波恩大学的仪器工人盖斯勒利用托里拆利原理制成了一种水银真空泵，用它可以把玻璃管抽到接近真空的程度，这样，世界上第一个真空度比较高的低压放电管诞生了。
当在它的两端加上足够电压时，电流就可以跳过真空了。这种管子叫做盖斯勒管。
德国物理学家普吕克尔在用盖斯勒管做实验时，发现了一个奇怪的现象，当让电流通过低压气体放电管时，对着阴极的那一端管壁出现了绿色荧光。物理学家德斯坦认为，产生荧光的原因是某种射线从阴极发出，打在了对面的管子上，他给这种射线起名为阴极射线。
神秘的阴极射线顿时成了科学家们研究的热点。有的物理学家发现，把物体放在阴极射线经过的途径中，管壁上会出现这个物体的阴影，这表明阴极射线像光一样，是直线传播的。因此，他们提出阴极射线是一种类似光的电磁波。
还有的物理学家发现，当在放电管旁边放上一块磁铁时，阴极射线会随着磁体偏转。更有趣的是，让阴极射线打在一个小风车的叶轮上，小风车就会旋转起来，因此，他们认为阴极射线是一种带电粒子。
科学家们为此争论不休。1897年英国物理学家约瑟夫？汤姆孙以发现电子结束了这场旷日持久的争论。
汤姆孙28岁就成为英国皇家学会的会员，并担任了世界著名的卡文迪什实验室的主任。他原来主要是研究电磁理论，神秘的阴极射线把这位杰出的科学家也吸引到了研究低压放电现象的行列中来了。
为解开阴极射线之谜，汤姆孙设计了许多巧妙的实验，他测出了阴极射线的传播速度远远小于光速，显然，阴极射线不是电磁波。汤姆孙用磁场把阴极射线引到了一种可以测电荷的接收器中，证明阴极射线是一种带负电荷的粒子流。更重要的是，他测出了这种带负电荷的粒子的荷质比（电荷与质量之比），氢离子的质量和所带电荷是已知的，通过与氢离子的荷质比相比，汤姆孙确定这种粒子的质量还不到氢离子质量的千分之一（后来精确测定为1/1837）。
也就是说，它是一种比最小的原子——氢原子还要小得多的粒子。
汤姆孙把各种不同气体充入管内，以不同的金属材料做阴极，所测出的阴极射线粒子的荷质比都一样，这就表明这种粒子是所有物质的共有组成部分。
1897年4月30日，汤姆孙在英国皇家研究院报告了他的研究成果，他断定在物质内部有比原子小得多的带电粒子存在，并且认为它就是法拉第当年曾暗示过的电的单元。后来人们把阴极射线粒子改称为电子（电子一词是1891年爱尔兰物理学家斯托尼提出用来表示电荷最小单位的）。
电子被发现了，它不仅向人们揭示了电的物质本质，而且宣告，原子不再是组成物质的最小粒子。
其实，在汤姆孙之前，英国的舒斯特和德国的考夫曼也都测出过阴极射线的荷质比，甚至比汤姆孙测得还要准，但是他们不敢相信世界上会存在比原子小得多的粒子，因而错过了发现电子的良机。汤姆孙冲破了传统观念的束缚，勇敢地迈出了这一步，终于成为“一位最先打开通往基本粒子物理学大门的伟人”。
1906年，汤姆孙因在气体导电方面的理论和实验研究，获得了诺贝尔物理奖。
拉开20世纪物理学革命的序幕在汤姆孙发现电子之前，人们对阴极射线的研究还沿着另一个方向前进，由此也引发出一系列重大的发现。
1895年10月，德国物理学家伦琴也在对阴极射线进行研究。他的主要兴趣不是阴极射线本身，而是射线打在管壁上所放出的绿色荧光。
为了更好观察这种荧光，他用硬纸板和锡箔把放电管包起来，并把整个房间弄黑，当他接通电源刚要进行实验时，突然发现放在一米外的小工作台上那个涂有铂氰化钡的荧光屏发出了微弱的荧光。
这一现象使他非常惊奇，一般荧光物质要受到太阳光照射后才会发光，现在屋子中是黑的，会不会是阴极射线的作用呢？他很快否定了这个想法，因为阴极射线顶多只能在空气中行进几个厘米远，况且现在放电管是被包在硬纸板中，阴极射线是透不过去的。
伦琴顾不上吃晚饭，立即进行了更细致的观察和实验。他把荧光屏一步步移远，即使移到了2米远的地方，当接通放电管时，荧光屏也会发光。伦琴断定，这种看不见的射线是一种完全不同于阴极射线的新射线。
此后整整7个星期，伦琴把自己关在实验室中，夜以继日地对这种神秘的射线进行研究。为了不中断实验，甚至吃饭、睡觉都不离开实验室。他初步搞清了这种射线是从阴极射线撞击玻璃壁产生辉光的地方发出来的，它直线传播，穿透能力特别强，不随磁铁偏转。由于这是一种人们尚不知道的新射线，伦琴用X射线来命名它。后人为了纪念伦琴，也称这种射线为伦琴射线。
伦琴还详细地研究了X射线的穿透能力。他发现X射线能容易地穿透纸、木片、铝片等轻质物质，不容易穿透像铅那样的致密物质。射线被吸收的数量与吸收体的厚度和密度大致成正比。由于骨骼的密度比肌肉大，因此用这种射线照射人体时，便留下骨骼的阴影。伦琴用X光拍摄了他夫人的手指骨骼照片，这是历史上的第一张X光片。他还拍摄了放在盒子中的砝码、缠在木柄上的金属线等。
就在这年的圣诞节刚过，伦琴公布了他的新发现，1896年1月，他又向他的朋友们寄出了论文的副本及照片。
整个世界为之轰动了，特别是伦琴拍摄的穿透人的衣服、肌肉的X光片，引起了人们疯狂的好奇心。许多实验室都在重复伦琴的实验，有关X射线的论文大量发表。就在纽约日报报道X射线消息后的第4天，有人便用X射线检查出了受伤者足部的一颗子弹。这一新发现很快便被当作新技术应用到医学诊断上。
伦琴曾说过：“我是偶然发现射线穿过黑纸的。”其实，在伦琴之前，也有好几位科学家偶然发现过这种现象。英国物理学家克鲁克斯在研究低压放电现象时，就发现放在装置附近的照相底片跑光了。他没有想到这是射线作用，而以为是底片的质量有问题，到工厂退货了之，错过了发现X光的机会。伦琴抓住偶然发现的现象，穷追不舍，透过偶然性的层层迷雾，寻找事物的必然性，因而获得了伟大的发现。
伦琴因为发现X射线，1901年，成为世界上第一个获得诺贝尔物理学奖的人。
在X射线被发现后，一系列具有划时代意义的重大发现接踵而至，X射线就像神话中的领路鸟一样，把人们引向了通往微观世界的道路，20世纪物理学革命的序幕被拉开了。
神秘的放射现象伦琴的发现传到法国后，深深打动了一个人，这个人就是贝克勒尔。他想，既然X射线发生在荧光现象特别强烈的地方，那么是不是有强烈的荧光的物质，都能发出X射线来呢？他决定试一试。
贝克勒尔出生在一个科学世家。他的祖父、父亲都是法国科学院的院士，并以研究荧光物质而闻名，因此，在他的实验室中，收集了许多荧光物质。
贝克勒尔选中了他和他父亲都曾用过的一种铀盐——硫酸铀酰钾，把这种盐放在一个用黑纸包得严严实实的底片上，然后放在太阳底下晒，看底片会不会感光。因为太阳光和荧光都不能穿过黑纸，只有X射线才能穿透黑纸使底片感光。
果然，如他所料，底片显影后上边有铀盐感光造成的灰白色的斑纹，贝克勒尔兴冲冲地向科学院报告了他的发现，可惜，这是一个错误的报告。
贝克勒尔是一个受过严格训练的科学家，他准备继续实验，取得更多的事实，以便再过几天在科学院例会上做正式报告。可是偏偏天公不做美，一连几天都是阴天。他只好扫兴地把铀盐和包着黑纸的照相底片都收到抽屉中，焦急地等待着太阳出来。
天一直阴着，开会的日子就要到了，贝克勒尔等不及了，他想上次照射的荧光总不会完全消失吧，也许会有轻度的曝光，于是他把底片冲洗出来。结果令他大吃一惊，底片比任何一次实验的曝光都要强烈！
贝克勒尔多次重复这个实验，不管铀盐在黑暗中放多久，它们都能使底片感光。他又换用其他荧光物质，结果含钙、含锌的荧光物质都不能使底片感光。
谜底终于揭穿了，使底片感光的原因是铀原子自身作用造成的，铀和铀盐能放出一种不同于X射线的新射线，这就是天然放射性。
贝克勒尔的发现虽然不像X射线的发现那样引起轰动，但也有一些杰出的科学家对此很感兴趣，并继续进行研究，其中有一位就是来自波兰的年轻女科学家玛丽？居里。
玛丽？居里出生在波兰一个中学教师的家庭。她勤奋、聪慧，中学毕业获得金质奖章，掌握了5门外语。由于家境贫寒，玛丽16岁时不得不去当家庭教师。后来她进入了法国有名的索尔本大学（即巴黎大学）学习。她住在冬天水能冻得结冰的亭子间，经常食不果腹。就在这样艰苦的条件下，她以优异的成绩取得了大学文凭。艰苦的环境培养了玛丽吃苦耐劳、坚韧不拔的品格。
大学毕业后，玛丽和因发现低压电现象而在物理学界小有名气的皮埃尔？居里结为夫妇。1897年，她刚刚生下女儿伊伦，就马上选择了当时还很少有人研究的放射性作为自己的博士论文题目。
居里夫人在研究放射性的时候，发现了一个非常奇怪的现象：沥青铀矿的放射性反而比纯铀还要强。她猜想很可能在沥青铀矿中还存在着比铀的放射性还要强得多的未知元素。
这个想法一提出，立即遭到了一些人的讥笑，认为这是异想天开。性格坚毅的居里夫人没有动摇。她的丈夫皮埃尔？居里也意识到这项工作的重大意义，放下了手头的工作，投入了对新元素的寻找。
他们的条件如此简陋，一间破棚子是他们的实验室，没有排放有害气体的通风装置和必要设备。为了将不同元素分开，他们将沥青铀矿装入大桶，加入化学试剂和酸一起煮沸。居里夫人用一根几乎和她一样高的沉重铁棒不停地搅拌着这些沸腾的粘稠液体，反应中放出的烟雾刺激着她的眼睛、喉咙，这种“男子汉的工作”累得居里夫人筋疲力尽，人消瘦了，手烧伤了。
1898年7月，他们终于从矿石中分离出一种黑色粉末，它的放射性比铀强400倍，化学性质和碲很相似，居里夫人为了纪念她的祖国波兰，把这种新元素起名为钋（在拉丁文中，钋的字头和波兰的字头是一个）。
但是钋的放射性还不足以说明沥青铀矿何以有这样强烈的放射性。于是，他们继续寻找，终于在同年12月又分离出了一种新的放射性更强的元素，他们给这种新元素起名为镭，在拉丁文中，镭的原意就是放射。
居里夫妇最初得到的还不是纯的镭，因此许多化学家对是否有镭元素表示怀疑。为了得到纯的镭，并进一步弄清镭的性质，居里夫妇付出了更加艰巨的劳动。4年中，他们进行了几十万次提炼，1902年，终于从12吨沥青铀矿中得到了大约0.1克纯的氯化镭，测出了镭的原子量是225，放射性比铀强二百多万倍。
1903年，居里夫人发表了她的博士论文，获得了巴黎大学物理学博士学位，这篇论文堪称历史上最伟大的一篇博士论文。她和她的丈夫皮埃尔？居里以及贝克勒尔因发现放射性，一起共享了1903年诺贝尔物理奖。1911年，居里夫人又因发现钋和镭获诺贝尔化学奖，成为历史上惟一两次获诺贝尔奖的女科学家，也是惟一同时获得物理和化学两种诺贝尔奖的科学家。
追踪放射性之谜
铀和镭等放射性元素放出的射线是什么？它们为什么会放出射线？许多科学家纷纷投入这一研究。其中有一位后来居上的佼佼者，他就是卢瑟福。
卢瑟福出生在新西兰穷乡僻壤的一个小农家庭。他从小就表现出非凡的创造才能，把一只报废的钟修好了，还自制过一架照相机。凭着出色的才华，他连续获得三次奖学金，从高中升入大学，最后进入久负盛名的英国剑桥大学卡文迪什实验室，成为约瑟夫？汤姆孙的研究生。
放射性铀的发现，立刻引起了卢瑟福的注意。为了研究铀发出的射线的穿透本领，他用厚薄不同的铝箔进行试验，结果发现铀发出的射线不是简单的一种，而是两种。有一种穿透本领比较小，只能穿透比较薄的铝片，他把这种射线叫α射线，还有一种能穿透较厚的铝片，贯穿本领比α射线大100倍，他把这种射线称作β射线。
法国科学家维拉尔德从放射性物质发出的射线中，又发现了第三种射线，它的贯穿本领更强大，这就是γ射线。
