原子核

原子核由质子和中子（两种重子）组成，并通过核力连接。这些重子又由被称为夸克的亚原子基本粒子通过强相互作用连接而成。核子或多或少是一个球体，可能是有点凸出（长）或扁圆形（平），或者不是完全圆形。

同位素和核素

原子的同位素是根据原子核中的中子数来确定的。同一元素的不同同位素具有非常相似的化学性质。化学样品中的不同同位素可以用离心机或质谱仪进行分离。第一种方法用于从普通铀生产浓缩铀，第二种方法用于碳测年。

质子和中子的数目共同决定了核素（原子核的类型）。质子和中子的质量几乎相等，它们的合计数，即质量数，约等于原子的质量。与原子核的质量相比，电子的合计质量很小，质子和中子的重量约为电子的2000倍。

J.J.汤姆森发现的电子是原子具有内部结构的第一个标志。在20世纪初，公认的原子模型是J.J.汤姆森的"李子布丁"模型，其中原子是一个带正电的大球，里面嵌有带负电的小电子。到了世纪之交，物理学家还发现了来自原子的三种辐射，他们将其命名为α、β和γ辐射。Lise Meitner和Otto Hahn在1911年的实验，以及James Chadwick在1914年的实验，发现β衰变谱是连续的而不是离散的。也就是说，电子从原子中射出的能量有一定的范围，而不是在γ和α衰变中观察到的离散的能量。这在当时的核物理学中是一个问题，因为它表明在这些衰变中能量并不保守。这个问题后来导致了中微子的发现（见下文）。

1906年Ernest Rutherford发表了"镭的α粒子通过物质时的辐射"。盖格在给英国皇家学会的通讯中，用他和卢瑟福做的通过空气、铝箔和金箔的α粒子的实验来扩展这项工作。1909年盖格和马尔斯登发表了更多的工作，1910年盖格又发表了进一步大大扩展的工作，1911-2年卢瑟福到皇家学会解释实验，并提出了我们现在所理解的原子核新理论。

大约在这种情况发生的同时（1909年），欧内斯特-卢瑟福做了一个了不起的实验，汉斯-盖格和欧内斯特-马斯登在他的监督下向金箔薄膜发射了阿尔法粒子（氦核）。梅花布丁模型预测，阿尔法粒子从金箔中出来时，其轨迹最多只能是稍微弯曲。他震惊地发现，少数粒子通过大角度的散射，甚至在某些情况下完全倒退。这一发现，从1911年卢瑟福对数据的分析开始，最终形成了卢瑟福原子模型，即原子有一个非常小、非常密集的原子核，由带正电荷的重粒子组成，并嵌入电子以平衡电荷。举个例子，在这个模型中，氮-14由一个有14个质子和7个电子的原子核组成，原子核周围还有7个轨道电子。

卢瑟福模型工作得相当好，直到1929年加利福尼亚理工学院的Franco Rasetti对核自旋进行了研究。到1925年，人们已经知道质子和电子的自旋为1/2，在氮-14的卢瑟福模型中，14个质子和6个电子应该配对，以抵消对方的自旋，最后一个电子应该以1/2的自旋离开原子核。但拉塞蒂发现，氮-14的自旋为1。

1930年，沃尔夫冈-保利未能参加在图宾根举行的会议，而是寄来了一封著名的信，并附上了经典的引言"亲爱的放射性女士和先生们"。保利在信中提出，或许在原子核中存在第三种粒子，他将其命名为"中子"。他提出，它很轻（比电子还轻），没有电荷，而且它不容易与物质发生相互作用（这也是为什么它还没有被发现的原因）。这个铤而走险的办法既解决了能量守恒的问题，又解决了氮-14的自旋问题，一是因为保利的"中子"带走了多余的能量，二是因为多了一个"中子"与氮-14核中的电子配对，使其自旋为一。保利的"中子"在1931年被恩里科-费米改名为中微子（意大利语，小中性一的意思），经过大约三十年的时间，终于证明在β衰变过程中真的会发出中微子。

1932年查德威克意识到，瓦尔特-博特、赫伯特-L-贝克尔、伊蕾娜和弗雷德里克-约里奥-居里观测到的辐射实际上是由于一种巨大的粒子，他称之为中子。同年，德米特里-伊万年科提出，中子其实是自旋1/2粒子，原子核中含有中子，里面没有电子；弗朗西斯-佩林提出，中子不是核粒子，而是在β衰变过程中产生的。为了给这一年画上句号，费米向《自然》杂志提交了关于中微子的理论（编辑们以"离现实太远"为由拒绝了这一理论）。费米继续研究他的理论，并在1934年发表了一篇论文，为中微子奠定了坚实的理论基础。同年，汤川秀树提出了第一个重要的强力理论，以解释原子核是如何保持在一起的。

随着费米和汤川的论文，现代原子模型已经完成。原子的中心包含一个由中子和质子组成的紧密球，它由强大的核力固定在一起。不稳定的原子核可能会发生α衰变，即发射出高能氦核，或β衰变，即发射出电子（或正电子）。在其中一次衰变后，所产生的核可能处于受激状态，在这种情况下，它通过发射高能光子(伽马衰变)而衰变为基态。

对强核力和弱核力的研究，使物理学家们以更高的能量对核子和电子进行碰撞。这种研究成为粒子物理学的科学，其中最重要的是将强、弱、电磁力统一起来的粒子物理学标准模型。

一个原子核可以包含数百个核子，这意味着在某种程度上可以将其视为一个经典系统，而不是量子力学系统。在由此产生的液滴模型中，原子核的能量部分来自表面张力，部分来自质子的电斥力。液滴模型能够重现原子核的许多特征，包括结合能与质量数的一般趋势，以及核裂变现象。

然而，在这一经典图景的基础上，还叠加了量子力学效应，可以用核壳模型来描述，该模型在很大程度上是由Maria Goeppert-Mayer开发的。具有一定数量的中子和质子的核（神奇的数字2、8、20、50、82、126......）特别稳定，因为它们的核壳是充满的。

目前核物理学的大部分研究都与研究高自旋和高激发能等极端条件下的原子核有关。核子也可能具有极端的形状（类似于美国足球的形状）或极端的中子与质子比。实验者可以利用人工诱导核聚变或核子转移反应，采用来自加速器的离子束来制造这样的原子核。更高能量的光束可以用来在非常高的温度下制造原子核，有迹象表明，这些实验已经产生了从正常核物质到一种新状态的相变，即夸克-胶子等离子体，在这种等离子体中，夸克相互混合，而不是像在中子和质子中那样以三倍体隔离。

核衰变

如果一个原子核的中子太少或太多，它可能会不稳定，在一段时间后会发生衰变。例如，氮-16原子（7个质子，9个中子）β在生成后的几秒钟内衰变为氧-16原子（8个质子，8个中子）。在这种衰变中，氮核中的一个中子在弱核力的作用下变成了一个质子和一个电子。原子的元素发生了变化，因为它以前有7个质子（这使它成为氮），现在有8个（这使它成为氧）。许多元素都有多种同位素，它们可以稳定地存在数周、数年甚至数十亿年。

核聚变

当两个轻核相互接触得非常紧密时，强力就有可能将两者融合在一起。要把核子推到足够近的距离，强力才会产生作用，所以核聚变过程只能在非常高的温度或高密度下进行。一旦原子核靠得足够近，强力就会克服它们的电磁排斥力，将它们挤压成一个新的原子核。当轻核融合在一起时，会释放出非常大的能量，因为每个核子的结合能随着质量数的增加而增加，直到镍-62。像我们的太阳这样的恒星，是由四个质子融合成一个氦核、两个正电子和两个中微子来驱动的。氢气不受控制地聚变成氦气被称为热核失控。目前各研究机构正在进行研究，以找到一种经济上可行的方法，利用受控核聚变反应的能量（见JET和ITER）。

核裂变

对于比镍-62重的原子核，每个原子核的结合能随着质量数的增加而减少。因此，如果一个重核分裂成两个较轻的核，就有可能释放能量。这种原子的分裂被称为核裂变。

阿尔法衰变过程可以被认为是一种特殊的自发核裂变。这一过程会产生高度不对称的裂变，因为构成阿尔法粒子的四个粒子彼此结合得特别紧密，使裂变中产生这种原子核的可能性特别大。

对于某些最重的原子核，在裂变时产生中子，也容易吸收中子引发裂变，可以得到一种中子引发的自燃型裂变，即所谓的链式反应。[在物理学之前，化学界就已经知道了链式反应，其实很多大家熟悉的过程，如火灾、化学爆炸等都是化学链式反应]。利用裂变产生的中子进行的裂变或"核"链式反应是核电站和裂变型核弹的能源来源，如二战末期美国对广岛和长崎使用的两颗核弹。铀和钍等重核可能发生自发裂变，但它们更可能发生α衰变。

要发生中子引发的链式反应，必须在一定条件下，在一定空间内有临界质量的元素存在（这些条件可以减缓和保存中子用于反应）。有一个已知的天然核裂变反应堆的例子，它在15亿年前活跃在非洲加蓬的奥克洛两个地区。对自然中微子发射的测量表明，地心散发的热量中约有一半来自放射性衰变。然而，不知道其中是否有任何裂变链反应的结果。

生产重元素

随着大爆炸后宇宙的冷却，最终我们所知道的粒子才有可能存在。在大爆炸中产生的最常见的粒子是质子（氢）和电子（数量相等），这些粒子今天仍然很容易被我们观察到。一些更重的元素是在质子相互碰撞时产生的，但我们今天看到的大多数重元素是在恒星内部的一系列核聚变阶段产生的，如质子-质子链、CNO循环和三α过程。在恒星的演化过程中，逐渐产生了更重的元素。

由于每个核子的结合能在铁周围达到峰值，因此只有在低于这个点的聚变过程中才会释放能量。由于通过核聚变产生较重的核子需要耗费能量，因此自然界采用了中子捕获的过程。中子（由于没有电荷）很容易被原子核吸收。重元素是通过缓慢的中子俘获过程（即所谓的s过程）或快速的r过程产生的。s过程发生在热脉动恒星（称为AGB，或渐变巨支星）中，需要几百年到几千年的时间才能达到最重的铅和铋元素。r过程被认为是在超新星爆炸中发生的，因为存在高温、高中子通量和喷出物质的条件。这些恒星条件使得连续的中子捕获速度非常快，涉及到富含中子的物种，然后β衰变为更重的元素，特别是在所谓的等待点，对应于具有封闭中子壳（魔数）的更稳定的核素。r过程的持续时间一般在几秒钟左右。