为了回答这个问题，卢瑟福决定用不稳定放射性原子核自发衰变产生的核碎片（α粒子）密集轰击各种普通稳定元素的原子。1919年，卢瑟福在第一次核反应实验中使用的设备如图67所示，和今天的物理实验室用来轰击原子的巨型设备相比，卢瑟福的工具真是简单到了极点。它的主体是一个抽真空的圆筒，底部开了一个小洞，上面蒙着一层荧光材料制成的薄屏（c）。轰击原子的α粒子来自放置在金属板上的一小撮放射性物质（a），被轰击的元素（这里用的是铝）制成了一张金属箔（b），安放在一定距离以外。金属箔靶子以一种特殊的方式安放，入射的所有α粒子都会嵌在上面，所以它们绝不会点亮荧光屏。除非轰击导致靶标材料释放出次级核碎片，否则荧光屏将始终保持黑暗。
所有设备就位以后，卢瑟福通过显微镜观察荧光屏，结果看到了一幕绝不同于黑暗的动人景象。整块荧光屏的表面闪烁着无数星星点点的光芒！每个光点都是由一个质子撞击荧光材料而产生的，而每个质子都是入射α粒子从靶标铝原子里轰出来的“碎片”。就这样，人工转化元素的过程从理论上的可能性变成了不容置疑的科学事实。[77]
卢瑟福完成这项经典实验之后的几十年里，人工转化元素的科学成为物理学领域最大、最重要的一个分支，科学家制造高速粒子以轰击原子核的技术和观察实验结果的方式都取得了长足的进步。
云室（又叫“威尔逊云室”，这个名字来自它的发明者）是我们用肉眼观察粒子轰击原子核的最理想的设备。它的示意图见图68。云室的原理基于一个事实：快速运动的带电粒子（例如α粒子）穿过空气或其他任何气体时，会导致沿途的原子产生一定程度的畸变。这些粒子携带的强电场会剥夺行经路线上气体原子的一个或几个电子，留下大量离子化的原子。这样的状态不会维持太长时间，高速粒子离开后，离子化的原子很快就会重新捕获失去的电子，恢复正常状态。不过，如果离子化的气体内部充盈着饱和水蒸气，那么每个离子周围都会形成微小的液滴——这是水蒸气的一种特性，它很容易凝聚在离子、尘埃等微粒上——沿着高速粒子的运动轨迹产生一缕薄雾。换句话说，我们可以通过这种方式看到带电粒子穿过气体的轨迹，就像飞机在空中拉出的烟带。
云室的技术原理相当简单，它的主要部件是一个带活塞（C）和玻璃盖（B）的金属筒（A），活塞可以上下运动，不过推动它的装置我没有画出来。玻璃盖与活塞表面之间充满了含有大量水蒸气的普通空气（如果你愿意的话，也可以换成其他任何气体）。高速粒子通过窗口（E）进入云室后，如果我们立即向下拉动活塞，那么活塞上方的空气也将随之冷却，于是水蒸气开始沿着粒子的运动轨迹凝结形成一缕缕薄雾。透过筒壁窗口（D）的强光和黑色的活塞表面交相映衬，所以我们可以直接用肉眼清晰地看到这些薄雾，或者用相机（F）把它拍摄下来，相机快门由活塞开关自动触发。这套简单的装置是现代物理学中最有价值的设备，它帮助我们拍下了高速粒子轰击原子核的美丽照片。
科学家自然希望能设计一种方法，利用强电场加速各种带电粒子（离子），从而制造出强有力的粒子束。这不光能节省昂贵稀有的放射性材料，还让我们有可能利用其他种类的核粒子（例如质子），获得比普通放射性衰变更高的动能。制造密集高速核粒子束的重要设备包括静电发生器、回旋加速器和直线加速器。
利用上述几种电加速器制造各种强大的核粒子束，让它们轰击各种材料的靶标，我们就能制造出大量核反应，然后通过云室拍摄的照片方便地进行研究。在照片III和IV中，我们列出了一部分体现各种核反应过程的云室照片。
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