亞原子粒子

到1920年，科學家已經知道每一個原子都是由原子核和電子組成，且帶正電的原子核被帶負電的電子云所包圍。原子并不是“基本粒子”——構成物質的最基本的材料，不可再拆分成更小的微粒。不久，科學家們不斷地發現了比原子更小的粒子，使人們對微觀世界的認識更加深入。

新西蘭裔英國物理學家歐內斯特·盧瑟福（1871～1937年）用α粒子（氦核）轟擊氮原子時，發現氫核被釋放出來，也就是說，氮核中必定含有氫原子核。1920年，盧瑟福建議將釋放出的氫原子核命名為“質子”（源自希臘語中的“protos”，意思是“第一”）。質子的質量是電子的1836.12倍。原子絕大部分的質量都被原子核占據。同年，盧瑟福提出了比氫原子質量大得多的原子核還包含了不帶電荷的微粒。

自1919年起，盧瑟福一直擔任劍橋大學的物理教授和卡文迪許實驗室的主任。盧瑟福研究的重點仍然是用α粒子（氦核）轟擊不同種類的原子核。1925年，英國物理學家帕特里克·布萊克特（1897～1974年）在盧瑟福的指導下，將云室——1911年蘇格蘭物理學家威爾森（1869～1959年）發明——改進為一種能記錄原子的瓦解的裝置。

但是α粒子所具有的能量還不足以將質量較大的原子核轟擊成碎片，因此，對質量較大的原子核需要用能量更強的粒子轟擊。1932年，英國物理學家約翰·考克勞夫特（1897～1967年）和愛爾蘭物理學家歐內斯特·沃爾頓（1903～1995年）在卡文迪許實驗室建造了世界上第一臺粒子加速器，利用電磁鐵產生的強大磁場加速質子，然后直接轟擊目標。

20世紀20年代，德國物理學家瓦爾特·波特（1891～1957年）在柏林領導一個科學家小組進行了一系列的科學實驗，他們用α粒子轟擊幾種較輕元素的原子核，這些元素包括鈹、硼和鋰。1930年，他們發現轟擊原子核時會產生高能穿透輻射，起初，這些科學家認為這是一種γ射線輻射，但是這種輻射的穿透力比任何見過的γ射線輻射都要強。

1932年，法國物理學家約里奧·居里夫婦——伊倫·約里奧·居里（1897～1956年）和弗雷德瑞克·約里奧·居里（1900～1958年）——發現用α粒子轟擊石蠟或其他類似的碳氫化合物（由氫和碳元素組成）時，會發射出能量很高的質子。對這一現象的進一步研究使科學家對波特觀察到的所謂γ射線推論產生了越來越多的質疑。英國物理學家詹姆斯·查德威克（1891～1974年）在卡文迪許實驗室證實了轟擊原子核所產生的射線不可能是γ射線，他還指出該輻射所含的粒子的質量與質子質量一樣，但是不帶電荷。查德威克認為這種新粒子是被束縛在一個電子（氫原子）內的質子，當他用α粒子轟擊已知原子量的硼原子時，就能計算出這種粒子的質量——該粒子為1.0087原子質量單位，略大于質子（1.007276質量單位）。因為該粒子不帶電荷，所以被稱為中子。在原子核內，中子很穩定，但到了原子核外，中子會衰變成一個質子、一個電子，以及一個反中微子。質子和中子構成了原子核，一起被稱做核子。

沃爾夫岡·泡利（1900～1958年）是20世紀最偉大的物理學家之一，1930年，泡利對β射線進行研究——由不穩定的原子發射的電子流，這些電子看起來失去了一些能量，但是沒有人能找出電子失去能量的原因，這與基礎的物理定律之一——能量不能憑空創造和失去——是矛盾的。為了解開這個謎團，泡利提出β輻射還包含了一種以前不為人知的粒子，具有在靜止時既不帶電也沒有質量的特性。意大利物理學家恩里克·費米（1901～1954年）在1934年證實了這種粒子的存在，并把它叫做中微子。

英國理論物理學家保羅·狄拉克（1902～1984年）對量子電動力學的發展作出了重要的貢獻。19世紀20年代后期，理論物理學家對電子的研究非常感興趣，狄拉克對德國物理學家沃納·海森堡（1901～1976年）對電子作出的描述很不滿意，于是提出了自己關于電子的表述——狄拉克方程，并提出電子有帶上正電荷的可能性。1932年，美國物理學家卡爾·安德森（1805～1991年）發現了這種粒子的存在。1933年，帕特里克·布萊克特也獨立地發現了該種粒子。后來，這種粒子被稱為正電子。正電子是第一種被發現的反物質粒子。

1937年，安德森與研究生塞恩·尼德梅耶（1907～1988年）合作發現了μ子——與電子相似的極不穩定的粒子，但質量是電子的200多倍。