虽然原子质量的整数特性为原子核的复杂结构提供了有力的证据，但要彻底证明原子核的确拥有这样的复杂结构，我们必须设法将原子核分解成两个或者更多的独立部件，才能获得最直接的证据。
50年前（1896年），贝可勒尔（Becquerel）发现了放射性的存在，我们由此第一次看到了分裂原子的可能性。事实上，人们发现，靠近元素周期表尽头的元素（例如铀和钍）释放的高穿透性射线（类似普通X射线）来自原子缓慢的自发衰变。科学家深入研究了这些新发现的现象，很快得出结论：重原子核会自发衰变，分裂成两个相差悬殊的部件。（1）其中一个部件非常非常小，人们称之为α粒子，其实它就是氦原子核；（2）失去α粒子的原子核残骸成了新形成的子元素原子核。初始铀原子核分裂释放α粒子，残余的子元素原子核被称为铀XI；后者经历了内部电荷调整过程以后会释放2个自由负电荷（普通电子），变成铀同位素的原子核，它比初始的铀原子核轻4个单位。接下来，释放α粒子的裂变过程和释放电荷的调整过程循环重复，最终我们得到了铅，这种元素的原子核看起来十分稳定，不会继续衰变。
我们在另外两组放射性元素中也观察到了这种交替释放α粒子和电子的连续放射性反应：以重元素钍为首的钍系元素和以锕-铀为首的锕系元素。[75]这三组元素都会自发衰变，最终只剩下铅的三种同位素。
对照前文，我们刚才介绍的自发放射衰变可能会让好奇的读者深感惊讶。我们之前说过，周期表后半部分所有元素的原子核都不稳定，因为它们内部的电斥力超过了凝聚原子核的表面张力。既然所有重于银的原子核都不稳定，那么自发衰变的为什么只有铀、镭、钍这几种最重的元素？答案是这样的：虽然从理论上说，重于银的所有元素都应该被视为放射性元素，而且它们的确会缓慢衰变成更轻的元素；但在大多数情况下，这种自发衰变的速度极慢，我们根本不会注意到它的存在。因此，我们熟悉的碘、金、汞、铅等元素可能要过好几百年才有一两个原子发生衰变，这样的速度实在太慢，哪怕是最灵敏的物理设备也无法探测到它的存在。只有那些最重的元素才有足够强的自发衰变趋势，因此它们才会表现出明显的放射性。[76]这种相对转化率还决定了特定不稳定原子核分裂的方式。比如说，铀原子核分裂的方式有好几种：它可能自发分裂形成两个完全相同的部分，也可能分裂成三个相同部分，还可能分裂成好几个大小各异的部分。其中最容易发生的是铀原子核分裂成一个α粒子和一个子元素原子核，所以这种裂变出现的频率最高。观察结果表明，铀原子核释放一个α粒子的概率比它自发分裂成两半的概率高一百万倍左右，所以在1克铀里，每一秒都有上万个原子核分裂释放一个α粒子，但要观察到一个原子核裂成两半的自发衰变，我们得耐心等待好几分钟！
放射性现象的发现确凿无疑地证明了原子核结构的复杂性，也为我们开辟了人工制造（或者引发）核反应的道路。我们不禁要问：既然特别不稳定的重元素原子核有可能自发衰变，那么我们能不能用高速运动的核粒子轰击其他普通的不稳定元素，利用足够强大的力量把它们撞碎？
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