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1896年，贝可勒尔发现天然放射性，这是人们第一次观察到的核变化。现在通常就把这一重大发现看成是核物理学的开端。此后的40多年，人们主要从事放射性衰变规律和射线性质的研究，并且利用放射性射线对原子核做了初步的探讨，这是核物理发展的初期阶段。
在这一时期，人们为了探测各种射线，鉴别其种类并测定其能量，初步创建了一系列探测方法和测量仪器。大多数的探测原理和方法在以后得到了发展和应用，有些基本设备，如计数器、电离室等，沿用至今。
探测、记录射线并测定其性质，一直是核物理研究和核技术应用的一个中心环节。放射性衰变研究证明了一种元素可以通过衰变而变成另一种元素，推翻了元素不可改变的观点，确立了衰变规律的统计性。统计性是微观世界物质运动的一个重要特点，同经典力学和电磁学规律有原则上的区别。
放射性元素能发射出能量很大的射线，这为探索原子和原子核提供了一种前所未有的武器。1911年，卢瑟福等人利用α射线轰击各种原子，观测α射线所发生的偏折，从而确立了原子的核结构，提出了原子结构的行星模型，这一成就为原子结构的研究奠定了基础。此后不久，人们便初步弄清了原子的壳层结构和电子的运动规律，建立和发展了描述微观世界物质运动规律的量子力学。
1919年，卢瑟福等又发现用α粒子轰击氮核会放出质子，这是首次用人工实现的核蜕变(核反应)。此后用射线轰击原子核来引起核反应的方法逐渐成为研究原子核的主要手段。
在初期的核反应研究中，最主要的成果是1932年中子的发现和1934年人工放射性核素的合成。原子核是由中子和质子组成的，中子的发现为核结构的研究提供了必要的前提。中子不带电荷，不受核电荷的排斥，容易进入原子核而引起核反应。因此，中子核反应成为研究原子核的重要手段。在30年代，人们还通过对宇宙线的研究发现了正电子和介子，这些发现是粒子物理学的先河。
20世纪20年代后期，人们已在探讨加速带电粒子的原理。到30年代初，静电、直线和回旋等类型的加速器已具雏形，人们在高压倍加器上进行了初步的核反应实验。利用加速器可以获得束流更强、能量更高和种类更多的射线束，从而大大扩展了核反应的研究工作。此后，加速器逐渐成为研究原子核和应用技术的必要设备。
在核物理发展的最初阶段人们就注意到它的可能的应用，并且很快就发现了放射性射线对某些疾病的治疗作用。这是它在当时就受到社会重视的重要原因，直到今天，核医学仍然是核技术应用的一个重要领域。
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