У 1920 році вперше в історії людства Резерфорд здійснив штучне перетворення ядер хімічних елементів. Першим ядром, яке вдалося перетворити, було ядро азоту ₇ N ¹⁴.  Це ядро бомбардували потоком   a - частинок  великої енергії. При цьому Резерфорд виявив появу протонів ( ₁р¹ ) – ядер атомів водню ( ₁Н¹ ). Реакція відбувалася  так: ядро   азоту   захоплює   a - частинку;   після   її   захоплення ядро   стає   нестійким   і,   викидаючи   протон,   перетворюється   в   ядро  кисню:

₇ N ¹⁴   +   ₂ He ⁴    ⇒     ₁ H ¹   +   ₈ O ¹⁷

Пізніше було виявлено перетворення під впливом   a - частинок  ядер фтору,  натрію,  алюмінію   і   інших.  Але   ядра   важких   елементів   не зазнавали таких перетворень. Очевидно їхній великий позитивний заряд перешкоджав    a - частинці   наблизитись   до   ядра.

Перетворення   ядер   атомів   одних    елементів    у    ядра  інших називається    штучними     ядерними   реакціями.

Розрізняють такі типи ядерних реакцій:

1. Збуджене в результаті бомбардування ядро повертається в нормальний стан і при цьому випускає один або кілька гамма-квантів. У цій ядерній реакції ядро даного елемента не перетворюється в ядро іншого елемента.
2. Реакція захоплення. Ядро поглинає бомбардуючу частинк і перетворюється внове, масивніше ядро. При реакціях такого типу нове ядро буде в збудженому стані, і випромінивши один або кілька гамма-квантів, переходить в нормальний стан.
3. Поглинання ядром бомбардуючої частинки і випускання ядром однієї або кількох частинок ( протонів, дейтронів, альфа-частинок, нейтронів ). При такій реакції виникає нове ядро.
4. Розщеплення   ядра на кілька частин. Така реакція відбувається в кілька етапів. Ядро захоплює  бомбардуючу частинку і виникає сильно збуджене, нестабільне ядро. Воно   випускає   одну частинку і перетворюється   в   нове ядро. Це ядро також збуджене і розпадається на інші частинки. Дані реакції відбуваються тоді, коли бомбардуюча частинка має велику енергію. Прикладом    є    бомбардування    ядер    берилію    протонами:

₅ B ¹¹  +  ₁H ¹    ⇒     ₄ Be ⁸  +  ₂ He ⁴

₄ Be ⁸    ⇒   ₂ He ⁴  +  ₂ He ⁴

В  процесі  ядерних  реакцій  відбувається  виділення  енергії. Це показує, що   в   ядрах   атомів  є  великі  запаси  енергії.

Але досліди по опроміненню легких ядер a - частинками показали, що реакція не завжди іде з виділенням протона. У 1930 році Г.Беккер і В.Боте ( нім. фізики ) при опромінюванні берилію одержали нову частинку – нейтрон ( _on¹). Потік цих частинок мав велику проникаючу здатність і не відхилявся магнітним полем. Дослідження  показало, що частинка не має електричного заряду, а її маса майже рівна масі протона.   Процес   бомбардування   берилію   a- частинкою   має   вигляд:

₄ Be ⁹   +   ₂ He ⁴   ⇒   _on¹   +   ₆ C ¹²

Подібна   реакція   мала   місце   при   бомбардуванні   a- частинками   ядер   бору:     

                                  ₅ B ¹¹  +  ₂ He ⁴   ⇒    _o n ¹  +  ₇ N ¹⁴                                   

Після   відкриття   нейтрона   була   запропонована  протонно – нейтронна  або   нуклонна  модель   атомного   ядра:  

  ядро   складається   з частинок двох   видів:   протонів   і   нейтронів     ( нуклонів ).

Кількість протонів рівна кількості електронів в атомній оболонці атома і дорівнює порядковому номеру  ( Z )    елемента в таблиці Менделєєва. Сума числа протонів ( Z )  і   числа    нейтронів ( N )    становить масове число ( А )    атома:

A   =   Z   +   N

Але при штучному перетворенні ядер були одержані ядра елементів, які відрізнялися своїми масами і мали однаковий заряд ядра. Такі ядра були названі ізотопами. Тепер встановлено, що всі хімічні елементи мають свої ізотопи. Ізотопи   водню   називаються    протій   або звичайний водень ( ₁ H ¹),  дейтерій ( ₁Н ² )  або важкий водень  і тритій ( ₁Н ³ ) або надважкий водень. Тритій  ß -  радіоактивний   з    періодом    піврозпаду    близько 12 років.   У  1963   році   відкрито  четвертий    ізотоп    водню ( ₁ Н ⁴).

Оскільки ядра досить стійкі, то протони і нейтрони мають триматися в ядрі якимись силами.  Ці сили мають особливий характер. Вони називаються ядерними силами. З упевненістю можна сказати, що це не гравітаційні сили, оскільки вони надзвичайно малі. Кулонівські сили, що діють між протонами, є силами відштовхування.  Отже це  і  не  кулонівські  сили. На відміну від гравітаційних і кулонівських сил, які зменшуються обернено пропорційно квадрату відстані між точковими масами чи зарядами, - ядерні сили зменшуються значно швидше. Вони дуже великі на відстанях, близьких до відстаней між нуклонами в ядрі ( ~ 10^-15 м ), однак вже при незначному збільшенні відстані між нуклонами ( принаймні до 2*10^-15 м ) вони зменшуються практично до нуля.

Ядерні сили мають такі властивості: мають надзвичайно велику потужність і короткодіючий характер.  Вони не залежать від того, чи мають частинки заряд чи не мають. Ці сили обумовлені існуванням ядерного поля, джерелами якого є протони і нейтрони.  Це   так звані обмінні   сили. Вони носять квантовий характер   і   не   мають   аналогії   в   звичайній   фізиці.

Так як нуклони в ядрі пов’язані між собою ядерними силами, то щоб розділити ядро на окремі нуклони, треба затратити велику енергію. Ця енергія називається енергією зв’язку ядра. Така сама енергія виділяється під час утворення   ядра   з окремих   нуклонів. Ця енергія дуже велика. Її можна обчислити   за   співвідношенням   Ейнштейна

Eзв.  =  c² Dm.

Тут     Dm – дефект   маси   ядра – різниця  між сумою мас нуклонів , що складають   ядро   і   масою   ядра,   тобто

Dm   =   Z m_p  +  (A – Z ) m_n   -   m_я

тоді

    Eзв.  = ( Z m_p  +  (A – Z ) m_n   -   m_я ) c²

Під  час  утворення  ядра  випромінюються    g - кванти,  які  і  виносять  цю  енергію.  Про величину енергії зв’язку можна судити з такого прикладу: під час утворення 4 г гелію виділяється стільки ж енергії, як від згоряння 5-6 вагонів кам’яного вугілля.

Енергія, що припадає на одну ядерну частинку ( нуклон )  називається питомою   енергією   зв’язку:                е _зв. =  Е_зв. / А.

За допомогою мас-спектрографа було виміряно маси всіх ізотопів і визначено  значення   дефекту   маси   і   енергії   зв’язку   ядер.    За    допомогою   таких   таблиць  здійснюють енергетичні розрахунки ядерних реакцій.

Ядерні   реакції   бомбардування   ядер   можуть   відбуватися   з   виділенням   енергії   або   з   поглинанням   енергії.

 Реакція, яка іде з виділенням енергії, називається  екзотермічна. Реакція,  що  іде  з  поглинанням  енергії,  називається  ендотермічна.

Та кількість енергії, яка вивільняється або поглинається в даній реакції, називається    енергетичним    виходом    ядерної    реакції  -  D Е.

Енергетичний  вихід реакції можна розрахувати на основі закону збереження    і    перетворення    енергії:

D Е  =  931,5 ( S Mвих.  -  S Mутв. ) МеВ

тут    S Mвих – сума  мас  частинок  в   а.о.м. ,   що    вступили   в   реакцію;

         S Mутв  -   сума   мас  частинок   в   а.о.м. ,    що   утворилися    в    реакції.

Число   931,5 МеВ  -  це  енергія,  яка  відповідає  одній   атомній   одиниці    маси ( а.о.м. ).

Якщо  D Е > 0,  то реакція  екзотермічна;   якщо  D Е < 0,  то  реакція  ендотермічна.