Prima dovada experimentala despre structura complexa a nucleului a constituit-o descoperirea radioactivitatii. Fizicianul Henri Becquerel ocupandu-se sistematic de studiul luminescentei unor substante a descoperit radioactivitatea naturala. In anul 1896 a constatat ca daca o sare de uraniu se aseaza pe o placa fotografica, invelita in hartie neagra, si se expune cateva ore la soare, dupa developare, pe placa fotografica va aparea conturul acelei sari. Ulterior a afirmat ca forma sarii apare si in cazul in care ea nu este expusa la soare si ca experimentul se poate repeta cu toate sarurile de uraniu. Becquerel a presupus ca sarea de uraniu emite radiatii invizibile care impresioneza placa fotografica chiar daca este invelita in hartie neagra. Cu doi ani mai tarziu in 1898 C. Schmidt si M. Curie descopera ca si thoriu este radioactiv, apoi M. si P. Curie descopera ca poloniu este de 1000 de ori mai radioactiv decat uraniu, iar in anul 1910 cei doi descopera ca radiu este de un milion de ori mai radioactiv decat uraniu. S-a constatat ca procesele radioactve nu pot fi grabite s-au incetinite folosind influente externe, de aici rezulta ca radiatiile provin "din adancul atomului". Radioactivitatea este proprietatea unor nuclee de a emite radiatii in mod continuu si spontan. Nucleele care emit au fost numite nuclee radiactive. Experimentele au dovedit ca proprietatea de a emite radiatii nu este provocata, nici influentata de cauze externe cum ar fi: ridicarea temperaturii sau a presiunii, modificarea legaturilor chimice, modificarea starii de agregare.

Radiatii nucleare

Radiatiile nucleare sunt formate din particule in miscare. Radiatiile emise de corpurile radioactive impresioneaza placa fotografica, ionizeaza aerul, produc fluorescenta unor substante pe care cad. Pentru a afla tipurile de radiatii emise de preparatele radioactve, Rutherford a folosit un camp magnetic intens care actioneaza asupra unui fascicul dirijat de radiatii. Intr-un bloc de plumb se face un mic canal in care se introduce substanta radioactiva. Campul magnetic aplicat este perpendicular pe directia fasciculului, pe care i-l desface in trei parti.

Dupa sensul devierii in campul magnetic s-a dedus ca sunt trei tipuri de particule: fasciculul mai putin deviat in campul magnetic este format din particule cu sarcina electrica pozitiva si cu masa mare care sunt nuclee de heliu cu numarul atomic Z = 2 si cu numarul de masa A = 4 (⁴₂ He ), acestea se numesc particule α. Fasciculul puternic deviat in campul magnetic este numit fascicul de radiatii β format din electroni (e^-) in miscare, iar fasciculul nedeviat este numit fascicul de radiatii (γ), care este format din fotoni in miscare.
Radiatiile α au sarcina electrica pozitiva, sunt formate din nuclee de ⁴₂ He. Ele se caracterizeza printr-o putere de patrundere mica, o mare putere de ionizare si o intensa actiune fotografica. Drumul pe care -l poate parcurge o particula α in aer depinde de viteza, respectiv energia pe care o are, care se pierde in urma proceselor de ionizare pe care le produc de-a lungul traiectoriei.
Radiatiile β sunt formate din particule cu sarcina electrica negativa (electroni), care au o putere de parundere mai mare, dar o putere de ionizare mai mica decat particulele α, deoarece masa electonului este de aproximativ 7.000 de ori mai mica decat cea a particulei α. Traiectoria in aer a particulei β nu este rectilinie ca a particulei α ci mult mai sinuasa. Electronii ce intra in componenta radiatiilor β au viteze mari, unii ajung pana la o,99 din viteza luminii. Masurarea vitezei electronilor s-a facut pe baza comportarii lor in camp electric sau magnetic, unde sunt deviati in raport cu viteza pe care o au.
Radiatia γ sunt nedeviat in campul electric sau magnetic, deci sunt unde electromagnetice de aceeasi natura cu radiatiile X si luminoase, dar de lungime de unda foarte mica (6Å - 0,001Å). Aceste radiatii apar in urma unor dezintegrari (un nucleu se transforma spontan in alt nucleu prin emiterea de particule α, β, γ, ori prin ruperea nucleului radioactiv in cel putin doua fragmente) α sau β, datorita faptului ca nucleul nou ce apare prin dezintegrare este in stare eexcitata , emitand surplusul de energie sub forma de fotoni γ. Radiatiile γ sunt foarte penetrante, putand strabate in aer pana la 115 m, ceea ce dovedeste ca au o putere mica de ionizare.

Inceputul fizicii nucleare coincide cu descoperirea radioactivitatii, prin care incep sa fie cunoscute transformari ale nucleelor atomice. Explicarea fenomenelor radioactive a fost data in anul 1902 de Rutherford si Frederick Soddy, considerand ca orice proces radioactiv este o transmutatie naturala a unor elemente chimice. In anul 1919 Rutherford a reusit sa efectueze cea dintai transmutare artificiala a elementelor, obtinand hidrogen din azot bombardat cu raze alfa [₇¹⁴N + ₂⁴He → ₁¹p + ₁₇⁸O]. Pentru aceasta lucrare a fost distins cu Premiul Nobel acordat pentru . . . chimie . Aceasta tehnica a inceput sa fie folosita pe o scara mai larga din 1932 cand a fost descoperita particula elementara neutra, descoperita de catre Chadwick si denumita neutron (₀¹n). Un preparat de poloniu emite particule α care provoaca in nucleele de beriliu reactia: ₂⁴ He + ₄⁹ Be → ₀¹ n + ₆¹² C . Chadwick a primit in anul 1935 Premiul Nobel pentru lucrarea publicata in 1932 "Existenta unui neutron". Enrico Fermi a bombardat cu neutroni atomii diverselor elemente chimice, ceea ce a condus la fisiunea nucleara [in urma capturii unui neutron lent - energie mica - nucleul se fragmenteaza in doua nuclee cu masa intermediara cu emisia a doi sau trei neutoni rapizi - de energie mare -], descoperita in anul 1938 de Otto Hahn si Fritz Strassmann. In anul 1938 a fost laureat al Premiului Nobel pentru Fizica pentru cercetari in domeniul reactiilor nucleare. Dupa decernarea premiului nu s-a mai intors in tara stabilindu-se in Statele Unite ale A mericii in semn de protest impotriva actiunilor antisemite ale guvernului italian fascist. Pe baza acestor experimente a fost pus in functiune, de catre un mare colectiv de cercetatori, condus de Enrico Fermi la 2 decembrie 1942, cel dintai reactor nuclear sistem controlat (in care se produc procese de fisiune controlata), unde s-a realizat in cadrul proiectului Manhattan prima reactie nucleara in lant controlata (neutronii rezultati in urma procesului de fisiune sa contribuie la realizareaun unui nou proces de fisiune) care a condus la construirea primei bombe atomice. Datorita faptului ca in reactia de fisiune, energia de reactie este de 200 MeV s-a trecut la producerea de energie nucleara controlata prin construirea de centrale "atomo-electrice". Cercetarile in curs urmaresc realizarea fuziunii nucleare prin care un nucleu cu masa intermediara se obtine pri unirea a doua nuclee usoare cu eliberarea unei mari cantitati de energie. De exemplu in reactia de mai jos se elibereaza o energie de 17,58 MeV pe care o preia nucleul de ₂⁴ He
(₁² H + ₁³ H → ₀¹ n + ₂⁴ He)
Un astfel de proces ar permite transformarea energiei nucleare direct in energie electica, fara interventia caldurii si a vaporilor de apa, ceea ce ar da energeticii o dezvoltare nebanuita. Studiile reactiilor nucleare, produse in reactori de mare putere a scos la iveala un numar relativ mare de particule elementare, acaror rezistenta si comportare constituie probleme nerezolvate inca de fizica nucleara.