盧瑟福在首次人工核反應(yīng)中，作為炮彈用的α轟擊粒子是來(lái)自天然放射性元素鐳的衰變產(chǎn)物。因它能量較小，故只能與氮、鎂和鋁等少數(shù)輕元素發(fā)生核反應(yīng)。另外在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)許多α粒子都毫無(wú)目標(biāo)向四面八方亂射。這就好像劣等炮手操炮時(shí)不加瞄準(zhǔn)，盲目發(fā)射炮彈，結(jié)果很少擊中目標(biāo)一樣。例如，對(duì)氮核而言，需用30萬(wàn)個(gè)α粒子才有一個(gè)氮核被擊中；同樣，如用鋁核作靶子，則需用12萬(wàn)5千個(gè)α粒子轟擊才有一個(gè)鋁核被擊中發(fā)生核反應(yīng)。由此可知，這種天然放射性所發(fā)射的α粒子命中率實(shí)在太低，而且從能量和強(qiáng)度方面看也太弱，因?yàn)榉派洇亮Ｗ拥蔫D鹽實(shí)在太少了，當(dāng)時(shí)都是以毫克來(lái)計(jì)量的。所有這些弱點(diǎn)，都嚴(yán)重地影響核反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行。

　　但是，科學(xué)家們?yōu)榱私议_(kāi)原子核內(nèi)部的秘密，往往像小孩子為了想知道有趣玩具內(nèi)部的奧妙，經(jīng)常把玩具拆開(kāi)那樣，總想把原子核打開(kāi)來(lái)看個(gè)究竟。于是他們就設(shè)法把更多的粒子(如氫核和氦核等)用來(lái)作為轟擊原子核的炮彈，并把它們裝填在能產(chǎn)生極快速度，又能按照指定方向發(fā)射的“原子炮”中，以準(zhǔn)確命中更多的原子核，產(chǎn)生各種各樣的核反應(yīng)。

　　就在1928年，生于俄國(guó)的美國(guó)物理學(xué)家蓋莫夫提出了用質(zhì)子替代α粒子作為炮彈的設(shè)想。由于質(zhì)子本身所帶的電荷少，因此與核相互作用的靜電斥力也小。這樣即使能量比較小的質(zhì)子(能量為50～60萬(wàn)電子伏)，它也能克服庫(kù)侖每秒一千萬(wàn)到十億個(gè)，而每秒一個(gè)毫安的質(zhì)子流可獲得的質(zhì)子數(shù)就比α粒子流要大一百萬(wàn)倍左右。

　　另外，質(zhì)子也比較容易取得，只要把普通的氫原子剝?nèi)ヒ粋�(gè)電子后就成為質(zhì)子。這樣帶正電荷的質(zhì)子又能方便地被電場(chǎng)加速，使它的能量能大大地提高。為此，物理學(xué)家會(huì)同機(jī)械設(shè)計(jì)師一起開(kāi)始設(shè)計(jì)制造這種能夠加速粒子的機(jī)器，人們習(xí)慣上稱它為“粒子加速器”或“原子炮”。

　　就在1930年前后，英國(guó)物理學(xué)家考克饒夫和瓦爾頓一起建造了第一臺(tái)粒子加速器。它是利用高壓電極上的高電勢(shì)，對(duì)離子源所發(fā)射的質(zhì)子流，在抽真空的加速管中被加速，最后打在靶子上，同靶原子核發(fā)生核反應(yīng)。這實(shí)際上是一臺(tái)倍壓加速器，當(dāng)時(shí)他們?cè)谖寮?jí)加速電極之間加上80萬(wàn)伏高電勢(shì)，獲得了能量約為70萬(wàn)電子伏特的質(zhì)子流，最后被打在鋰7靶上。所產(chǎn)生的核反應(yīng)仍用硫化鋅制成的熒光屏進(jìn)行觀測(cè)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)每10億個(gè)質(zhì)子中就有一個(gè)質(zhì)子打中鋰核產(chǎn)生反應(yīng)，形成一個(gè)具有4個(gè)質(zhì)子和4個(gè)中子的不穩(wěn)定中間核。然后，分解成兩個(gè)氦核。

　　從上式可看出，核反應(yīng)的最終結(jié)果生成了兩個(gè)α粒子。根據(jù)力學(xué)定律，它們應(yīng)該帶著相同的能量，向相反方向飛出，這可從威爾遜云室所攝取的照片上所觀測(cè)到的向相反方向成對(duì)飛出的α粒子徑跡得到驗(yàn)證。另外，根據(jù)它們?cè)诳諝庵械纳涑?為8.4厘米)，求得其能量各為8.8兆電子伏。

　　由此可見(jiàn)，核反應(yīng)結(jié)果所得能量竟然是入射質(zhì)子能量0.7兆電子伏的25倍。這就預(yù)示著人們將可從核反應(yīng)過(guò)程中取得巨大的能量。

　　而另外一種加速器是在1931年由美國(guó)物理學(xué)家范德格喇夫建造而成的。他突破了倍壓加速器在高電壓上的限制，首先應(yīng)用動(dòng)帶式靜電起電機(jī)獲得了高達(dá)1.5百萬(wàn)伏電勢(shì)差。后人為了紀(jì)念他，就把這種類型的粒子加速器稱作為范德格喇大靜電加速器。其主要部件高壓電極的直徑1～2米。而到了1933年已大到4.57米；1936年達(dá)10米。但最高電壓都不超過(guò)3兆伏。1940年后又提高到5兆伏。后來(lái)在結(jié)構(gòu)上又作了很大改進(jìn)，在1955年發(fā)展成為串列式靜電加速器，每一級(jí)為10兆伏，二級(jí)為20兆伏，三級(jí)則為30兆伏。質(zhì)子流強(qiáng)為4微安。由于它具有加速能量高、束流品質(zhì)好、能量穩(wěn)定度高等優(yōu)點(diǎn)。所以一直是原子核物理實(shí)驗(yàn)研究工作不可缺少的工具。

　　與此同時(shí)，其它各種類型的“原子炮”也得到了飛速發(fā)展。其中最著名的是美國(guó)物理學(xué)家勞倫斯在1931年設(shè)計(jì)制造了第一臺(tái)用來(lái)加速離子的回旋加速器，它的工作原理是被加速的帶電粒子在兩個(gè)扁平的“D”形盒中作圓周運(yùn)動(dòng)。D形盒內(nèi)部是抽高真空的，被加速粒子的圓周運(yùn)動(dòng)是由磁場(chǎng)作用所造成的。只有當(dāng)帶電粒子通過(guò)交變電場(chǎng)時(shí)才能被不斷加速獲得能量。

　　勞倫斯的第一臺(tái)回旋加速器的磁極直徑只有10厘米，加速電壓為2000伏，能把氫離子加速到8萬(wàn)電子伏。到了1932年，他把直徑增大到27厘米，質(zhì)子能量可加達(dá)到1.2兆電子伏；1993年，磁極直徑已達(dá)1.5米，磁鐵重220噸，能把質(zhì)子核氘核分別加速到10和20兆電子伏。束流強(qiáng)度可達(dá)每秒6兆億個(gè)氘核，所以說(shuō)加速器的效能的確是十分巨大的。

　　但是，回旋加速器卻不能加速質(zhì)量極小的電子。而世界上第一臺(tái)用于加速電子的電子感應(yīng)加速器是在1940年建成的，當(dāng)時(shí)只能把電子加速到2.3兆電子伏。1942年建成20兆電子伏的電子感應(yīng)加速器。到了1945年，電子能量又提高到100兆萬(wàn)電子伏。而目前世界上最大的一臺(tái)電子感應(yīng)加速器能把電子加速到315兆電子伏。

　　除此以外，在加速器的類型中還有直線加速器。隨著微波技術(shù)的發(fā)展，1947年已經(jīng)開(kāi)始建造行波電子直線加速器和駐波質(zhì)子加速器，它們分別能把電子加速到22000兆電子伏；把質(zhì)子加速到800兆電子伏。

　　近年來(lái)，世界上工業(yè)和科學(xué)技術(shù)發(fā)達(dá)的美岡和蘇聯(lián)，它們把加速器越作越大。其中高能環(huán)形加速器的直徑達(dá)2公里；直線型加速器的長(zhǎng)度超過(guò)2公里，被加速質(zhì)子的能量高達(dá)5000億電子伏。這就是英國(guó)在1969～1972年間建成的世界上最大的加速器。它的磁鐵重達(dá)900O噸。電力消耗峰值為5萬(wàn)千瓦。而當(dāng)今國(guó)際上還在倡議建造世界性的大加速器，直徑將近20公里，加速能量十萬(wàn)億電子伏。它比目前最大的加速能量大20倍，總投資達(dá)20億美元。

　　總之，在建造原子炮的過(guò)程中，為了能獲得高能量的“炮彈”，其耗資是十分驚人的。而且在加速“炮彈”過(guò)程中也要消耗巨大的能量。就被命中靶核的單發(fā)“炮彈”而言，它有可能通過(guò)核反應(yīng)把更大的能量釋放出來(lái)。即使這樣，原子炮本身仍然存在著打不準(zhǔn)、效率低的問(wèn)題，千萬(wàn)發(fā)“炮彈”中只有一發(fā)能命中靶。當(dāng)然，作為靶子的原子核本身其體積十分微小，確實(shí)不易被瞄準(zhǔn)。加上靶核所帶的正電荷對(duì)炮彈有靜電排斥作用，即使把靶子做得很厚使靶核數(shù)大大增加也無(wú)濟(jì)于事。這是因?yàn)楸患铀倨骷铀俚膸щ娏Ｗ铀鶖y帶的能量，在靶子的表面層內(nèi)很快被消耗殆盡，僅能深入1毫米后就停止不前了。所有這一切，使得科學(xué)家們希望能夠找到命中率更高的炮彈。1932年中子的發(fā)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了這個(gè)愿望。