原子核物理学（英文名：atomic nuclear physics）是研究原子核的结构、相互作用和变化规律的学科，它是二十世纪才兴起的一门物理学分支学科。其研究内容为：原子核的内部结构和量子多体性质，核子（质子、中子）间、核子与原子核间和原子核与原子核间的相互作用力（核力），核子（及其他强子）的基本单元在核力作用下形成原子核、核物质的规律，原子核的基态和激发态的衰变规律，原子核之间碰撞和转化规律等。研究方法包括理论研究（利用各种原子核结构模型，对核内核子运动及核整体运动作近似的唯象描述）、 实验观测（散射实验等）。

1896年安东尼·贝克勒尔（H.Becquerel）发现盐放射性成为核现象研究的开端，随后多位化学家对放射性进行了研究。 直到1911年，欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）发现了原子核， 人们开始了对原子核的各种研究，例如，对恒星核聚变、核自旋的研究，中子的发现，介子场理论、以及介子假设的提出等等。

原子核物理学的研究不仅限于基础理论，还广泛应用于核能、核武器、工业和农业同位素，材料工程中的离子注入。随着科学技术的发展，原子核物理学在核医学和磁共振成像等领域的实际应用也越来越多。

原子核物理学与粒子物理学、天体物理学以及原子物理学密切相关。其中粒子物理学是从原子核物理学发展而来的，这两个领域通常是紧密联系在一起的；天体物理学是核物理学在天体物理学中的应用，主要用于解释恒星的内部运作和化学元素的起源。

1896年安东尼·贝克勒尔（H.Becquerel）发现铀盐放射性成为核现象研究的开端，随后多位化学家对放射性进行了研究。 直到1911年，欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）发现了原子核， 人们开始了对原子核的各种研究，例如，对恒星核聚变、核自旋的研究，中子的发现，介子场理论、以及介子假设的提出等等。

原子核物理学作为一门独立于原子物理学的学科的历史，始于1896年亨利·贝克勒尔（H.Becquerel）在研究铀盐时发现其具有放射性。 一年后，约瑟夫·汤姆逊（J. J. Thomson）发现了电子，揭示了原子内部结构的存在。 并提出了“梅子布丁模型”，其中电子相当于梅子，正电荷相当于布丁。

1898年，新西兰物理学家欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）经过反复验证和推导，发现了α射线以及β射线。1900年，维拉德发现镭发出的辐射能穿透1m多厚的水泥墙，他称其为γ射线。

1903年，贝勒克尔（因其对放射性的研究）与玛丽·居里（Marie Curie）和皮埃尔·居里（Pierre Curie）共同获得了诺贝尔物理学奖。1908年，卢瑟福因“对元素衰变和放射性物质化学的研究”而获得诺贝尔化学奖。

在接下来的几年里，放射性被广泛研究。1905年，阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）提出了相对论“质量与能量等价原理”，并且预言了以铀为原料的原子能的产生。1911年，欧内斯特·卢瑟福等人利用α射线轰击各种原子，观测α射线所发生的偏折，该实验证明了原子的所有正电荷，以及几乎所有的质量，都集中在一个很小的中心上，卢瑟福把这个中心叫作“原子核”，并提出了原子结构的行星模型。卢瑟福把原子描述为一个微型的太阳系，电子绕着原子核在轨道上运行，就像行星绕太阳运行一样。原子的整体是电中性的，电子被带正电的原子核吸引， 沿着绕原子核的轨道运动。这一发现颠覆了之前的“梅果布丁”模型。1919年，欧内斯特·卢瑟福等人又发现用α粒子轰击氮核会放出质子，这是首次用人工实现的核反应。此后，用射线轰击原子核来引起核反应的方法，就逐渐成为研究原子核的主要手段。

1914年，英国物理学家詹姆斯·查德威克（Sir James Chadwick），和盖革一起使用最新型的放电型计数管进行了精密实验，证明了β射线的能量并不是一个确定值。但是，在重复了几百次测定之后，以测得的能量为横轴，以该能量测得的次数为纵轴，以图形表示出来之后得到了一个中央隆起的曲线。这个曲线的形状，即使再次重做数百次测定仍然不变。β射线的这种带有连续能量的特性，被称为“带有连续能谱”。但是，当时已知的基本粒子仅有电子和质子， 一般认为原子核是由质子和电子构成的，所以很容易产生一种印象， 即β射线是构成原子核的电子从原子核里飞出来形成的。由此在很长的时间里，人们认为β射线是带着单一的能量飞出的。最终在1927年，英国物理学家查尔斯·D·埃利斯（Sir Charles D.Ellis）和威廉·A·伍斯（William A·Wooster）才证明了β射线从一开始就是带着连续的能量飞出的。 

1920年，英国理论天体物理学家亚瑟·爱丁顿爵士（亚瑟·埃丁顿）发表了一篇题为《恒星内部结构》的论文， 他在这篇文章中描绘恒星通过热核聚变，以氢为原料生成氦和其他更重元素，同时向外释放能量的过程。他认为所有元素的原子实际上都是聚合在一起的氢原子，而且它们很可能是由多个氢原子一次性形成的。恒星内部可能就是发生这种变化的理想地点。

1928~1929年间，佛朗哥·拉塞蒂（Franco Rasetti）在加州理工学院研究拉曼效应时，发现对于同核分子，偶数线和奇数线的强度应该落在两条单独的曲线上，强度交替，强度比为（I+1)/I，其中I是原子核的自旋（以h-bar的量子单位测量）。其中氢自旋1/2，强度比3，氧气自旋零，强度无限之比，即交替线缺失。对于已知自旋为1的氮，其强度比值为2，这个结果是基于当时认为氮核由14个质子和7个电子组成的假设。但是几年后，随着中子的发现，确定了氮核由7个质子和7个中子组成。

1931年前后，让·约里奥－居里夫妇用超强钋样品研究玻特的穿透辐射，并于1932年1月18日，报告了一个重大发现：当用这种辐射照射石蜡时会放出质子。他们把这现象解释为是一种康普顿效应：质子是受γ射线照射后的反冲质子。欧内斯特·卢瑟福的学生查德维克(J.Chadwik)  重复了这些实验，他运用钋加铍作源，将发射出来的辐射去与氢、氧及氮等碰撞，通过比较它们的反冲而得出结论：这类辐射中含有一种质量近似等于质子质量的中性物质成分，他把它称为中子，并将结果发表于1932年2月12日的《自然》杂志上。随后，伊凡宁柯（D. Iwanenko）和海森伯格（W. K. Heisenberg）提出了原子核由质子和中子组成这种复合模型，这种模型解决了原子核的自旋问题。

普罗卡（Procak）是核研究的先驱者，1930年初，其在理论上发现了介子的方程式——普罗卡方程式，其中他假设光子有静质量，对麦克斯韦方程做了补充。如果将普罗卡方程还原为麦克斯韦方程，则可从库伦定律指数偏差的上限值，推算出光子静止质量上的限值。

1935年，汤川秀树（Yukawa Hideki）提出了介子推假设，解释了原子核内部的强力是如何作用的：核力作用在中子之间、中子和质子之间，也作用在质子之间，当核子距离近到在原子核范围以内时，核力超过质子间的静电斥力而保持原子核的稳定。 两年之后，美国物理学家卡尔·大卫·安德森在宇宙射线中发现了一种带电粒子，它的质量是电子的200倍左右，被命名为“μ介子”。但是这种μ介子根本不与核子相互作用，因此，它不可能是汤川秀树所预言的粒子。1947年，英国物理学家鲍威尔（C.F.Powell）利用核乳胶在宇宙射线中又发现了一种介子—π介子。π介子的性质完全符合汤川秀树的预言，能够解释核力。

20世纪50年代以来，人们发现原子核内部还存在更多的自由度，把原子核看成是由多种强子（重子与介子推）组成的多粒子体系，并用相对论场论的方法作为理论工具开展研究，仿照和推广量子电动力学，建立起以各类介子运动来传递重子间的相互作用的定域场论，又称为量子强子动力学。

七十年代以来，原子核物理学进入了一个新的更成熟的、向纵深发展和广泛应用的新阶段。由于重离子加速技术的发展，人们已能有效地加速从氢到铀所有元素的离子。随着高能物理的发展，人们已能建造强束流的中高能加速器。在三十年代，人们最多只能把质子加速到108电子伏的数量级，而到七十年代人们已能把质子加速到4×1011电子伏，并可根据需要产生各种能散度特别小、准直度特别高或者流强特别大的束流。这类加速器不仅能提供直接加速的离子流，还可以提供如π介子、k介子等次级粒子束。这些高能粒子流从另一方面扩充了研究原子核的手段。

原子核物理学是研究原子核的结构、性质、内部运动、核辐射以及原子核相互作用、 相互转化的科学。原子核内部相互作用的根源在于基本粒子——夸克和胶子的相互作用，夸克和胶子一起构成核物质。

原子核物理学研究的内容包括：原子核的内部结构和量子多体性质，核子（质子、中子）间、核子与原子核间和原子核与原子核间的相互作用力（核力），核子（及其他强子）的基本单元在核力作用下形成原子核、核物质的规律，原子核的基态和激发态的衰变规律，原子核之间碰撞和转化规律等。

原子核是一个大致上球状的物体，大致由质子和中子密堆积在一起构成的。质子和中子统称为核子，长期以来人们认为，核子是真正的基本粒子。但是，它们并不是真正的粒子，而是有内部结构的，由更小的粒子构成。

原子核的基本性质通常是指原子核作为整体所具有的静态性质。它包括原子核的电荷、质量、半径、自旋、磁矩、电四极矩、宇称、统计性质和同位旋等。这些性质和原子核结构及其变化有密切关系。

所有的原子核都带有电荷，某些原子核的电荷绕核轴“自旋”，核电荷的旋转使得其在沿着核轴方向产生一个磁偶极。自旋电荷的角动量可用自旋量子数I描述，自旋量子数有0、1/2、1、3/2等值（I＝0意味着没有自旋），所产生的磁偶极的本质大小可用核磁矩μ表示。自旋量子数I不等于0的原子核都能绕核轴自旋。自旋的原子核会产生一个沿核轴方向的磁场，即总磁矩。

原子核大约要比整个原子小十万倍，然而它却几乎含有原子的全部质量。这就意味着，原子核内的物质必定是极为密集的。“核子”（质子和中子的统称）对它们所受限制的反应是高速运动；由于它们被压缩到比原子小得多的体积里，它们的反应也就强烈得多。它们在原子核里到处运动的速度大约是每秒钟40000英里。

原子核中核子之间的相互作用力的研究，又称核力的研究。在原子核中，强相互作用，电磁相互作用、弱相互作用和万有引力同时存在。然而，由于每种相互作用的性质有所不同，因此它们对原子核结构的贡献是不一样的。电磁相互作用和万有引力是长程力（力程为无穷），而强相互作用和弱相互作用是短程力（力程\u003c10~16m）。电磁相互作用是排斥力，其它作用是吸引力。这些相互作用的显著差别表现在力的作用强度上，强相互作用，电磁相互作用，弱相互作用和万有引力的相对强 度之比大约是1：10-2：10-13：10-38。这四种相互作用的共同特点是，它们都是间接相互作用，即都由一种场量子起着中间媒介作用。

从四种相互作用同时存在于核子之间的这一客观事实出发，可以把核力理解为：核子之间总的相互作用，这可称为广义核力概念。然而，从效果看，强相互作用起着决定作用，其它相互作用在原子核这个极小尺度内是微不足道的。因而，核力的实际含义应该是指核子之间的强相互作用。人们正是在这种思想的指导下，研究着核力的性质，探索着核力的规律。

原子核衰变的研究，是原子核物理中最基本的研究。其中原子核衰变是指原子核放出某种粒子，转变为新原子核的过程。原子核自发地放射出α粒子而发生的转变，叫作α衰变。 在衰变过程中，衰变前原子核的质量数等于衰变后原子核的质量数之和，衰变前原子核的电荷数等于衰变后原子核的电荷数之和，也就是说，原子核衰变时质量数和电荷数守恒。

原子核内的一个中子转化成质子，并放出一个电子， 这就是β衰变。其中衰变之后的新核质量数不变，电荷数增加1，这是由于核内的一个中子转化成了质子和电子，转化产生的电子射出原子核，就是β粒子。

α和β衰变产生的新核往往处于激发态。处于激发态的原子核要向基态跃迁，能量以γ光子的形式辐射出来，称为γ跃迁。因此，γ射线的自发放射一般是伴随α或β射线放出的。γ跃迁与α或β衰变不同，不会导致元素的改变，只会改变原子核内部的状态。当放射性物质发生衰变时，有的原子核发生α衰变，有的原子核发生β衰变，并且都伴随有γ射线的放出，这时放射性物质发出的射线中就同时包含α射线、β射线和γ射线。

核裂变是指原子核分裂成几个原子核的变化过程。核裂变可以分为自发裂变和诱发裂变两种类型。其中自发裂变是指原子核在没有外部粒子影响下自发地裂变为几个原子核的过程。大量的实验表明，自发裂变多发生于重原子核，如铀、等原子核的自发裂变。重原子核大都具有α放射性，自发裂变和α衰变是原子核两种不同且互有竞争的衰变方式。例如，252Cf 能够同时发生自发裂变和α衰变，自发裂变的比例仅为3%。

诱发裂变是指原子核受到外来粒子的轰击发生裂变的过程。裂变可以用式 A（a，f）表示，其中A为靶核，a为入射粒子，f表示裂变。发生裂变的核素称为裂变核。其中由中子诱发的核裂变是研究最多、最重要的诱发裂变方式。原子核在受到一个中子的攻击后，会分裂成两个或多个质量较小的原子核，同时还会放射出2～4个中子和巨大的能量。

除了通过重核的裂变可以获得原子能外，另外一种方法就是通过轻核的聚变。较轻的原子核通过核反应结合成较重的原子核并释放出大量能量的过程称为聚变，并且通过轻原子核的聚变往往能获得比重核裂变多得多的能量。轻核聚变最大的困难就是反应条件比较难以达到， 往往要在高温、高压下才能实现。氢弹就是先用一个原子弹爆炸，形成极高的高温，在这个高温下实现轻原子核的聚变反应， 太阳和大部分恒星的能量的主要来源也是氢核的聚变。

宇宙中，在大爆炸后的前几秒内，不存在原子核，只有基本粒子和强子，在大爆炸后3分钟左右，此时初生宇宙的温度冷到约109K，这些粒子开始聚合成（2H）和氦-3（3He）、氦-4（4He）原子核；同位素7Li原子核也可能在那个时候也已经形成了。因此，这四种核素都是大爆炸核素。至少又过了0.5×106年，宇宙才冷到足于使这些核俘获电子而形成为原子；再过了几十亿年后，恒星形成了。只有当恒星的核火开始点燃时，才能开始形成其他化学元素的原子核。宇宙中，氢和氦核分别约占总原子核数的93%和7%，而所有的重元素核加起来才约占0.1%。

自中子发现以来，利用中子、质子、重离子束等，通过核反应已成功地人工合成了20多种原子序数大于92的超铀元素和2000多种新核元素。

原子核物理学的研究方法可以通过理论计算、实验观测等。比如欧内斯特·卢瑟福在提出原子核设想后，先用实验证明，α粒子距中心（原子核）越近，库仑斥力越大，特别是个别粒子的反向散射，更表明是核心库仑和动量的迭加效应。但是他并没有停留在实验观测的直观表象上，而是寻踪追索理论和计算的证明。他由库仑定律推出了粒子散射公式，从理论上确立了原子有核模型的基础。卢瑟福还核对了理论计算与实验测定的结果是吻合的，彻底否定了那种认为a散射是由于电子对粒子多次碰撞而累积造成的猜测。

原子核有的是稳定的、有的是不稳定的。中子、质子结合成原子核是靠强相互作用（核力），中子、质子在强相互作用下的效应基本相同。但质子比中子质量小且带正电，质子之间的电磁力是排斥的，使得稳定的原子核，特别是重的原子核中的中子数目都比质子数目多。但是原子核结构问题非常复杂，还没有完全解决，较成功的是利用各种原子核结构模型，对核内核子运动及核整体运动作近似的唯象描述。

α粒子模型的基本思想认为：原子核内部的每一对中子和一对质子至少在短时间内成为一个α粒子；原子核是α粒子加零数中子和质子的整体。α粒子模型尽管是简单而粗糙的，其用途受到很大的局限性。然而，它的模型思想对壳层模型的建立和集团模型的提出起到了一定的启发作用。

这个模型认为原子核中的核子类似一群气体分子，每个核子受所有其他分子作用的总效果相当于一个平均势场。这个平均势场可以看做球形方势阱。费米气体模型简单明了，也给出了原子核的某些性质，但由于过于简化，无法深入了解原子核内部结构。

原子核的结合能与核子数A成正比，说明核力具有饱和性，即一个核子只与周围几个核子作用。这与液体中一个分子只与近邻分子相作用类似。另外，原子核体积与A成正比，说明原子核密度是一常数，与A无关。这与液滴密度是一常数，与其体积无关类似。据此，有人把原子核比作液滴，这便是液滴模型。液滴模型在原子核物理学的发展中一直起着重要作用。它不但解释了许多实验现象，而且为一些原子核理论原理的建立奠定了基础。

实验表明，原子核的性质随着质子数和中子数的增加而显示周期性变化。与核外电子类似，原子核内部存在某种壳层结构，而这些数字（称为幻数）正代表核子填充形成的满壳层。这个模型称为原子核的壳层模型。与费米气体模型相同，壳层模型同样认为，原子核内每个核子受其他核子作用的总效果相当于一个平均势场。

壳层模型解释了原子核性质的周期性、幻数的出现、中子质子数不等以及核磁矩等许多问题，但仍有不足之处。这体现出，它采用的平均场实际上是一种单粒子近似，没有全面充分考虑核子间的相互作用。

原子核中除了单核子自由度外，还存在原子核集体运动形态。原子核集体运动形态可以有集体振动和集体转动。这种模型称为集体运动模型。原子核的平衡形状是球形时，原子核相对其平衡形状会发生微小变化，这就是球形核的振动。不过，原子核的集体振动频率都比较高，对原子核的低能性质影响较小。一些原子核具有较大的电四极矩，表明其形状与球形偏离较大，称为变形核。变形核不仅有较大的电四极矩，而且还会产生集体转动。

对原子核的观测研究可通过“散射实验”，其原理为：用α粒子轰击各种物质，并在黑暗中用显微镜观测α粒子撞击各种物质屏幕时产生的微小闪光点的数量。然后在放射源和屏幕中间放一些金属箔，当α射线穿过金箔时，一些α粒子会被金箔散射，最后计算直接穿过各种薄金属箔和被反弹回来的α粒子数量的比例（即测量偏转的α粒子的比例）。

后来，人们发明了粒子加速器，其能提供更高的能量和更高强度的粒子，科学家可以不用在黑暗的房间里用肉眼观察和数闪光点，而是使用复杂的电子探测器来观察，并用阵列式计算机来分类和存储实验产生的数据。

天体物理学、宇宙学的研究表明，宇宙演化的早期和某些天体演化的特定阶段，核过程起关键和主导作用。恒星演化、超新星爆发是最典型的例子。恒星不间断地放出的大量能量以及超新星爆发短时间释放出的巨大能量主要是核能。早期宇宙演化、元 素形成时期和残留至今宇宙中的元素及同位素丰度及天体演化的各个阶段，充满了各种原子核（包括寿命极短的原子核）的形成和演变的过程，只有完全了解这些原子核的基本过程，才能对这些天体和宇宙学的演化过程认识清楚。另外，像中子星这样的天体，除了其核心可能是夸克物质形态外，包围核心的主要成分是中子，物质密度达到了原子核的程度，好比是半径约为10千米的巨大“原子核”。

原子物理学主要以原子的结构、运动规律以及相互作用为主要研究内容。它代表着物质结构研究的一个层次，这个层次介于分子和原子核两个层次之间，称之为原子。原子核物理学是比原子物理学更深一个层次的基本理论。

粒子物理学是从核物理学发展而来的——在原子核的研究中，通过高能射线与原子核的相互作用，发现了许多新的粒子，为粒子物理学的发展奠定了基础。粒子物理学的诞生和发展深受核物理学的影响，而粒子物理学的发展反过来又影响着核物理学的某些基本问题的研究。

原子核物理学应用几乎遍及工农业生产、医疗等各领域。

核能开发是核技术应用又一主要领域，核物理研究为核能装置的设计提供精确的核数据，探索更有效地利用核能的途径，为提高核能利用的效率和经济指标提供理论保障，并为更大规模的核能利用准备了条件。

由于中子束在物质结构、固体物理、高分子物理等方面的广泛应用，人们建立了专用的高中子通量的反应堆来提供强中子束。中子束也应用于辐照、分析、测井及探矿等方面。

离子束已广泛地应用于材料科学技术和固体物理的制备和精密加工。离子束也已用来作为无损、快速分析的重要手段，特别是质子微米束可用来对表面进行细致扫描分析，其精度是其他方法难以比拟的。

原子核物理学一系列重大发现，为研制军用核武器提供了理论和实验依据。 比如，利用核裂变释放的能量“点火”，克服氢核间的电磁库伦势垒，使氢核聚到一起引起核聚变，成为氢弹的物理原理。

在核物理发展的最初阶段人们就关注它的可能的应用， 并且很快就发现了射线对某些疾病的治疗作用。这是核物理在发展之初就受到社会重视的重要原因。放射治疗和放射诊断是核技术应用的最重要的领域，其中新型的质子和重离子治癌技术以及先进的放射诊断技术如聚对苯二甲酸乙二醇酯/CT被广泛使用。同时快中子治癌已取得一定的疗效，以及硼中子俘获治癌（BNCT）技术的研究与应用也受到重视。

同位素在地质学与考古学中的应用，如空气中12C和14C存量之比是1012:1.2，活着的生物体中碳的这两种同位素存量之比也是此值。而死后的生物体因不再吸收碳，其遗骸中的14C因衰变逐渐减少。测出古生物遗骸中12C和14C的存量比，同空气中的比值比较，再利用14C的半衰期为5600年，就可以算出古生物体死亡的年代。

同位素示踪技术还广泛应用于工业、农业等。农业上把放射性磷32P加在肥料中，它被植物吸收后在植物体内输运的情况可用仪器测出，这样就知道磷对植物作用的一些情况。

加速器及同位素辐射源已应用于工业的辐照加工、食品的保藏和医药的消毒、辐照育种等。为了研究辐射与物质的相互作用以 及辐照技术，又衍生出辐射物理、 辐射化学等边缘学科以及辐照工艺等技术部门。此外，同位素仪表在各工业部门用作生产自动线监测或质量控制装置。