在這一時期，人們為了探測各種射線，鑒別其種類並測定其能量，初步創建了一係列探測方法和測量儀器。大多數的探測原理和方法在以後得到了發展和應用，有些基本設備，如計數器、電離室等，沿用至今。
探測、記錄射線並測定其性質，一直是核物理研究和核技術應用的一個中心環節。放射性衰變研究證明了一種元素可以通過衰變而變成另一種元素，推翻了元素不可改變的觀點，確立了衰變規律的統計性。統計性是微觀世界物質運動的一個重要特點，同經典力學和電磁學規律有原則上的區別。
放射性元素能發射出能量很大的射線，這為探索原子和原子核提供了一種前所未有的武器。1911年，盧瑟福等人利用α射線轟擊各種原子，觀測α射線所發生的偏折，從而確立了原子的核結構，提出了原子結構的行星模型，這一成就為原子結構的研究奠定了基礎。此後不久，人們便初步弄清了原子的殼層結構和電子的運動規律，建立和發展了描述微觀世界物質運動規律的量子力學。
1919 年，盧瑟福等又發現用α粒子轟擊氮核會放出質子，這是首次用人工實現的核蛻變（核反應）。此後用射線轟擊原子核來引起核反應的方法逐漸成為研究原子核的主要手段。
在初期的核反應研究中，最主要的成果是1932年中子的發現和1934年人工放射性核素的合成。原子核是由中子和質子組成的，中子的發現為核結構的研究提供了必要的前提。中子不帶電荷，不受核電荷的排斥，容易進入原子核而引起核反應。因此，中子核反應成為研究原子核的重要手段。在30年代，人們還通過對宇宙線的研究發現了正電子和介子，這些發現是粒子物理學的先河。
盧瑟福用α粒子轟擊氮原子核
20世紀20年代後期，人們已在探討加速帶電粒子的原理。到30年代初，靜電、直線和回旋等類型的加速器已具雛形，人們在高壓倍加器上進行了初步的核反應實驗。利用加速器可以獲得束流更強、能量更高和種類更多的射線束，從而大大擴展了核反應的研究工作。此後，加速器逐漸成為研究原子核和應用技術的必要設備。
核技術在醫學上的應用在核物理發展的最初階段人們就注意到它的可能的應用，並且很快就發現了放射性射線對某些疾病的治療作用。這是它在當時就受到社會重視的重要原因，直到今天，核醫學仍然是核技術應用的一個重要領域。
2大發展時期。20世紀40年代前後，核物理進入一個大發展的階段。1939年，哈恩和斯特拉斯曼發現了核裂變現象；1942年，費米建立了第一個鏈式裂變反應堆，這是人類掌握核能源的開端。
在30年代，人們最多隻能把質子加速到100萬電子伏特的數量級，而到70年代，人們已能把質子加速到4000億電子伏特，並且可以根據工作需要產生各種能散度特別小、準直度特別高或者流強特別大的束流。
20世紀40年代以來，粒子探測技術也有了很大的發展。半導體探測器的應用大大提高了測定射線能量的分辨率。核電子學和計算技術的飛速發展從根本上改善了獲取和處理實驗數據的能力，同時也大大擴展了理論計算的範圍。所有這一切，開拓了可觀測的核現象的範圍，提高了觀測的精度和理論分析的能力，從而大大促進了核物理研究和核技術的應用。
通過大量的實驗和理論研究，人們對原子核的基本結構和變化規律有了較深入的認識。基本弄清了核子（質子和中子的統稱）之間的相互作用的各種性質，對穩定核素或壽命較長的放射性核素的基態和低激發態的性質已積累了較係統的實驗數據。並通過理論分析，建立了各種適用的模型。
通過核反應，已經人工合成了17種原子序數大於92的超鈾元素和上千種新的放射性核素。這種研究進一步表明，元素僅僅是在一定條件下相對穩定的物質結構單位，並不是永恒不變的。
天體物理的研究表明，核過程是天體演化中起關鍵作用的過程，核能就是天體能量的主要來源。人們還初步了解到在天體演化過程中各種原子核的形成和演變的過程。在自然界中，各種元素都有一個發展變化的過程，都處於永恒的變化之中。
天體物理學的發展，促使天文觀測和研究不斷出現新成果和新發現。通過高能和超高能射線束和原子核的相互作用，人們發現了上百種短壽命的粒子，即重子、介子、輕子和各種共振態粒子。龐大的粒子家族的發現，把人們對物質世界的研究推進到一個新的階段，建立了一門新的學科——粒子物理學，有時也稱為高能物理學。各種高能射線束也是研究原子核的新武器，它們能提供某些用其他方法不能獲得的關於核結構的知識。