原子核物理學（英文名：atomic nuclear physics）是研究原子核的結構、相互作用和變化規律的學科，它是二十世紀才興起的一門物理學分支學科。其研究內容為：原子核的內部結構和量子多體性質，核子（質子、中子）間、核子與原子核間和原子核與原子核間的相互作用力（核力），核子（及其他強子）的基本單元在核力作用下形成原子核、核物質的規律，原子核的基態和激發態的衰變規律，原子核之間碰撞和轉化規律等。研究方法包括理論研究（利用各種原子核結構模型，對核內核子運動及核整體運動作近似的唯象描述）、 實驗觀測（散射實驗等）。
1896年安東尼·貝克勒爾（H.Becquerel）發現鹽放射性成為核現象研究的開端，隨后多位化學家對放射性進行了研究。 直到1911年，歐內斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）發現了原子核， 人們開始了對原子核的各種研究，例如，對恒星核聚變、核自旋的研究，中子的發現，介子場理論、以及介子假設的提出等等。
原子核物理學的研究不僅限于基礎理論，還廣泛應用于核能、核武器、工業和農業同位素，材料工程中的離子注入。隨著科學技術的發展，原子核物理學在核醫學和磁共振成像等領域的實際應用也越來越多。
原子核物理學與粒子物理學、天體物理學以及原子物理學密切相關。其中粒子物理學是從原子核物理學發展而來的，這兩個領域通常是緊密聯系在一起的；天體物理學是核物理學在天體物理學中的應用，主要用于解釋恒星的內部運作和化學元素的起源。
發展歷史
1896年安東尼·貝克勒爾（H.Becquerel）發現鈾鹽放射性成為核現象研究的開端，隨后多位化學家對放射性進行了研究。 直到1911年，歐內斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）發現了原子核， 人們開始了對原子核的各種研究，例如，對恒星核聚變、核自旋的研究，中子的發現，介子場理論、以及介子假設的提出等等。
放射性現象的發現
原子核物理學作為一門獨立于原子物理學的學科的歷史，始于1896年亨利·貝克勒爾（H.Becquerel）在研究鈾鹽時發現其具有放射性。 一年后，約瑟夫·湯姆遜（J. J. Thomson）發現了電子，揭示了原子內部結構的存在。 并提出了“梅子布丁模型”，其中電子相當于梅子，正電荷相當于布丁。
1898年，新西蘭物理學家歐內斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）經過反復驗證和推導，發現了α射線以及β射線。1900年，維拉德發現鐳發出的輻射能穿透1m多厚的水泥墻，他稱其為γ射線。
1903年，貝勒克爾（因其對放射性的研究）與瑪麗·居里（Marie Curie）和皮埃爾·居里（Pierre Curie）共同獲得了諾貝爾物理學獎。1908年，盧瑟福因“對元素衰變和放射性物質化學的研究”而獲得諾貝爾化學獎。
發現原子核
在接下來的幾年里，放射性被廣泛研究。1905年，阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）提出了相對論“質量與能量等價原理”，并且預言了以鈾為原料的原子能的產生。1911年，歐內斯特·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，該實驗證明了原子的所有正電荷，以及幾乎所有的質量，都集中在一個很小的中心上，盧瑟福把這個中心叫作“原子核”，并提出了原子結構的行星模型。盧瑟福把原子描述為一個微型的太陽系，電子繞著原子核在軌道上運行，就像行星繞太陽運行一樣。原子的整體是電中性的，電子被帶正電的原子核吸引，?沿著繞原子核的軌道運動。這一發現顛覆了之前的“梅果布丁”模型。1919年，歐內斯特·盧瑟福等人又發現用α粒子轟擊氮核會放出質子，這是首次用人工實現的核反應。此后，用射線轟擊原子核來引起核反應的方法，就逐漸成為研究原子核的主要手段。
1914年，英國物理學家詹姆斯·查德威克（Sir?James?Chadwick），和蓋革一起使用最新型的放電型計數管進行了精密實驗，證明了β射線的能量并不是一個確定值。但是，在重復了幾百次測定之后，以測得的能量為橫軸，以該能量測得的次數為縱軸，以圖形表示出來之后得到了一個中央隆起的曲線。這個曲線的形狀，即使再次重做數百次測定仍然不變。β射線的這種帶有連續能量的特性，被稱為“帶有連續能譜”。但是，當時已知的基本粒子僅有電子和質子，?一般認為原子核是由質子和電子構成的，所以很容易產生一種印象，?即β射線是構成原子核的電子從原子核里飛出來形成的。由此在很長的時間里，人們認為β射線是帶著單一的能量飛出的。最終在1927年，英國物理學家查爾斯·D·埃利斯（Sir?Charles?D.Ellis）和威廉·A·伍斯（William?A·Wooster）才證明了β射線從一開始就是帶著連續的能量飛出的。?
恒星核聚變
1920年，英國理論天體物理學家亞瑟·愛丁頓爵士（亞瑟·埃丁頓）發表了一篇題為《恒星內部結構》的論文，?他在這篇文章中描繪恒星通過熱核聚變，以氫為原料生成氦和其他更重元素，同時向外釋放能量的過程。他認為所有元素的原子實際上都是聚合在一起的氫原子，而且它們很可能是由多個氫原子一次性形成的。恒星內部可能就是發生這種變化的理想地點。
核自旋
1928~1929年間，佛朗哥·拉塞蒂（Franco Rasetti）在加州理工學院研究拉曼效應時，發現對于同核分子，偶數線和奇數線的強度應該落在兩條單獨的曲線上，強度交替，強度比為（I+1)/I，其中I是原子核的自旋（以h-bar的量子單位測量）。其中氫自旋1/2，強度比3，氧氣自旋零，強度無限之比，即交替線缺失。對于已知自旋為1的氮，其強度比值為2，這個結果是基于當時認為氮核由14個質子和7個電子組成的假設。但是幾年后，隨著中子的發現，確定了氮核由7個質子和7個中子組成。
發現中子
1931年前后，讓·約里奧－居里夫婦用超強釙樣品研究玻特的穿透輻射，并于1932年1月18日，報告了一個重大發現：當用這種輻射照射石蠟時會放出質子。他們把這現象解釋為是一種康普頓效應：質子是受γ射線照射后的反沖質子。歐內斯特·盧瑟福的學生查德維克(J.Chadwik) ?重復了這些實驗，他運用釙加鈹作源，將發射出來的輻射去與氫、氧及氮等碰撞，通過比較它們的反沖而得出結論：這類輻射中含有一種質量近似等于質子質量的中性物質成分，他把它稱為中子，并將結果發表于1932年2月12日的《自然》雜志上。隨后，伊凡寧柯（D. Iwanenko）和海森伯格（W. K. Heisenberg）提出了原子核由質子和中子組成這種復合模型，這種模型解決了原子核的自旋問題。
介子場理論
普羅卡（Procak）是核研究的先驅者，1930年初，其在理論上發現了介子的方程式——普羅卡方程式，其中他假設光子有靜質量，對麥克斯韋方程做了補充。如果將普羅卡方程還原為麥克斯韋方程，則可從庫倫定律指數偏差的上限值，推算出光子靜止質量上的限值。
介子假設
1935年，湯川秀樹（Yukawa Hideki）提出了介子推假設，解釋了原子核內部的強力是如何作用的：核力作用在中子之間、中子和質子之間，也作用在質子之間，當核子距離近到在原子核范圍以內時，核力超過質子間的靜電斥力而保持原子核的穩定。 兩年之后，美國物理學家卡爾·大衛·安德森在宇宙射線中發現了一種帶電粒子，它的質量是電子的200倍左右，被命名為“μ介子”。但是這種μ介子根本不與核子相互作用，因此，它不可能是湯川秀樹所預言的粒子。1947年，英國物理學家鮑威爾（C.F.Powell）利用核乳膠在宇宙射線中又發現了一種介子—π介子。π介子的性質完全符合湯川秀樹的預言，能夠解釋核力。
現代核物理研究
20世紀50年代以來，人們發現原子核內部還存在更多的自由度，把原子核看成是由多種強子（重子與介子推）組成的多粒子體系，并用相對論場論的方法作為理論工具開展研究，仿照和推廣量子電動力學，建立起以各類介子運動來傳遞重子間的相互作用的定域場論，又稱為量子強子動力學。
七十年代以來，原子核物理學進入了一個新的更成熟的、向縱深發展和廣泛應用的新階段。由于重離子加速技術的發展，人們已能有效地加速從氫到鈾所有元素的離子。隨著高能物理的發展，人們已能建造強束流的中高能加速器。在三十年代，人們最多只能把質子加速到108電子伏的數量級，而到七十年代人們已能把質子加速到4×1011電子伏，并可根據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。這類加速器不僅能提供直接加速的離子流，還可以提供如π介子、k介子等次級粒子束。這些高能粒子流從另一方面擴充了研究原子核的手段。
研究對象
原子核物理學是研究原子核的結構、性質、內部運動、核輻射以及原子核相互作用、?相互轉化的科學。原子核內部相互作用的根源在于基本粒子——夸克和膠子的相互作用，夸克和膠子一起構成核物質。
研究內容
原子核物理學研究的內容包括：原子核的內部結構和量子多體性質，核子（質子、中子）間、核子與原子核間和原子核與原子核間的相互作用力（核力），核子（及其他強子）的基本單元在核力作用下形成原子核、核物質的規律，原子核的基態和激發態的衰變規律，原子核之間碰撞和轉化規律等。
原子核結構
原子核是一個大致上球狀的物體，大致由質子和中子密堆積在一起構成的。質子和中子統稱為核子，長期以來人們認為，核子是真正的基本粒子。但是，它們并不是真正的粒子，而是有內部結構的，由更小的粒子構成。
原子核基本性質
原子核的基本性質通常是指原子核作為整體所具有的靜態性質。它包括原子核的電荷、質量、半徑、自旋、磁矩、電四極矩、宇稱、統計性質和同位旋等。這些性質和原子核結構及其變化有密切關系。
所有的原子核都帶有電荷，某些原子核的電荷繞核軸“自旋”，核電荷的旋轉使得其在沿著核軸方向產生一個磁偶極。自旋電荷的角動量可用自旋量子數I描述，自旋量子數有0、1/2、1、3/2等值（I＝0意味著沒有自旋），所產生的磁偶極的本質大小可用核磁矩μ表示。自旋量子數I不等于0的原子核都能繞核軸自旋。自旋的原子核會產生一個沿核軸方向的磁場，即總磁矩。
原子核大約要比整個原子小十萬倍，然而它卻幾乎含有原子的全部質量。這就意味著，原子核內的物質必定是極為密集的。“核子”（質子和中子的統稱）對它們所受限制的反應是高速運動；由于它們被壓縮到比原子小得多的體積里，它們的反應也就強烈得多。它們在原子核里到處運動的速度大約是每秒鐘40000英里。
相互作用力
原子核中核子之間的相互作用力的研究，又稱核力的研究。在原子核中，強相互作用，電磁相互作用、弱相互作用和萬有引力同時存在。然而，由于每種相互作用的性質有所不同，因此它們對原子核結構的貢獻是不一樣的。電磁相互作用和萬有引力是長程力（力程為無窮），而強相互作用和弱相互作用是短程力（力程<10~16m）。電磁相互作用是排斥力，其它作用是吸引力。這些相互作用的顯著差別表現在力的作用強度上，強相互作用，電磁相互作用，弱相互作用和萬有引力的相對強?度之比大約是1：10-2：10-13：10-38。這四種相互作用的共同特點是，它們都是間接相互作用，即都由一種場量子起著中間媒介作用。
從四種相互作用同時存在于核子之間的這一客觀事實出發，可以把核力理解為：核子之間總的相互作用，這可稱為廣義核力概念。然而，從效果看，強相互作用起著決定作用，其它相互作用在原子核這個極小尺度內是微不足道的。因而，核力的實際含義應該是指核子之間的強相互作用。人們正是在這種思想的指導下，研究著核力的性質，探索著核力的規律。
核衰變
原子核衰變的研究，是原子核物理中最基本的研究。其中原子核衰變是指原子核放出某種粒子，轉變為新原子核的過程。原子核自發地放射出α粒子而發生的轉變，叫作α衰變。?在衰變過程中，衰變前原子核的質量數等于衰變后原子核的質量數之和，衰變前原子核的電荷數等于衰變后原子核的電荷數之和，也就是說，原子核衰變時質量數和電荷數守恒。
原子核內的一個中子轉化成質子，并放出一個電子，?這就是β衰變。其中衰變之后的新核質量數不變，電荷數增加1，這是由于核內的一個中子轉化成了質子和電子，轉化產生的電子射出原子核，就是β粒子。
α和β衰變產生的新核往往處于激發態。處于激發態的原子核要向基態躍遷，能量以γ光子的形式輻射出來，稱為γ躍遷。因此，γ射線的自發放射一般是伴隨α或β射線放出的。γ躍遷與α或β衰變不同，不會導致元素的改變，只會改變原子核內部的狀態。當放射性物質發生衰變時，有的原子核發生α衰變，有的原子核發生β衰變，并且都伴隨有γ射線的放出，這時放射性物質發出的射線中就同時包含α射線、β射線和γ射線。
核裂變
核裂變是指原子核分裂成幾個原子核的變化過程。核裂變可以分為自發裂變和誘發裂變兩種類型。其中自發裂變是指原子核在沒有外部粒子影響下自發地裂變為幾個原子核的過程。大量的實驗表明，自發裂變多發生于重原子核，如鈾、等原子核的自發裂變。重原子核大都具有α放射性，自發裂變和α衰變是原子核兩種不同且互有競爭的衰變方式。例如，252Cf?能夠同時發生自發裂變和α衰變，自發裂變的比例僅為3%。
誘發裂變是指原子核受到外來粒子的轟擊發生裂變的過程。裂變可以用式?A（a，f）表示，其中A為靶核，a為入射粒子，f表示裂變。發生裂變的核素稱為裂變核。其中由中子誘發的核裂變是研究最多、最重要的誘發裂變方式。原子核在受到一個中子的攻擊后，會分裂成兩個或多個質量較小的原子核，同時還會放射出2～4個中子和巨大的能量。
核聚變
除了通過重核的裂變可以獲得原子能外，另外一種方法就是通過輕核的聚變。較輕的原子核通過核反應結合成較重的原子核并釋放出大量能量的過程稱為聚變，并且通過輕原子核的聚變往往能獲得比重核裂變多得多的能量。輕核聚變最大的困難就是反應條件比較難以達到，?往往要在高溫、高壓下才能實現。氫彈就是先用一個原子彈爆炸，形成極高的高溫，在這個高溫下實現輕原子核的聚變反應， 太陽和大部分恒星的能量的主要來源也是氫核的聚變。
核合成
宇宙中，在大爆炸后的前幾秒內，不存在原子核，只有基本粒子和強子，在大爆炸后3分鐘左右，此時初生宇宙的溫度冷到約109K，這些粒子開始聚合成（2H）和氦-3（3He）、氦-4（4He）原子核；同位素7Li原子核也可能在那個時候也已經形成了。因此，這四種核素都是大爆炸核素。至少又過了0.5×106年，宇宙才冷到足于使這些核俘獲電子而形成為原子；再過了幾十億年后，恒星形成了。只有當恒星的核火開始點燃時，才能開始形成其他化學元素的原子核。宇宙中，氫和氦核分別約占總原子核數的93%和7%，而所有的重元素核加起來才約占0.1%。
自中子發現以來，利用中子、質子、重離子束等，通過核反應已成功地人工合成了20多種原子序數大于92的超鈾元素和2000多種新核元素。
研究方法
原子核物理學的研究方法可以通過理論計算、實驗觀測等。比如歐內斯特·盧瑟福在提出原子核設想后，先用實驗證明，α粒子距中心（原子核）越近，庫侖斥力越大，特別是個別粒子的反向散射，更表明是核心庫侖和動量的迭加效應。但是他并沒有停留在實驗觀測的直觀表象上，而是尋蹤追索理論和計算的證明。他由庫侖定律推出了粒子散射公式，從理論上確立了原子有核模型的基礎。盧瑟福還核對了理論計算與實驗測定的結果是吻合的，徹底否定了那種認為a散射是由于電子對粒子多次碰撞而累積造成的猜測。
研究理論
原子核有的是穩定的、有的是不穩定的。中子、質子結合成原子核是靠強相互作用（核力），中子、質子在強相互作用下的效應基本相同。但質子比中子質量小且帶正電，質子之間的電磁力是排斥的，使得穩定的原子核，特別是重的原子核中的中子數目都比質子數目多。但是原子核結構問題非常復雜，還沒有完全解決，較成功的是利用各種原子核結構模型，對核內核子運動及核整體運動作近似的唯象描述。
α粒子模型的基本思想認為：原子核內部的每一對中子和一對質子至少在短時間內成為一個α粒子；原子核是α粒子加零數中子和質子的整體。α粒子模型盡管是簡單而粗糙的，其用途受到很大的局限性。然而，它的模型思想對殼層模型的建立和集團模型的提出起到了一定的啟發作用。
這個模型認為原子核中的核子類似一群氣體分子，每個核子受所有其他分子作用的總效果相當于一個平均勢場。這個平均勢場可以看做球形方勢阱。費米氣體模型簡單明了，也給出了原子核的某些性質，但由于過于簡化，無法深入了解原子核內部結構。
原子核的結合能與核子數A成正比，說明核力具有飽和性，即一個核子只與周圍幾個核子作用。這與液體中一個分子只與近鄰分子相作用類似。另外，原子核體積與A成正比，說明原子核密度是一常數，與A無關。這與液滴密度是一常數，與其體積無關類似。據此，有人把原子核比作液滴，這便是液滴模型。液滴模型在原子核物理學的發展中一直起著重要作用。它不但解釋了許多實驗現象，而且為一些原子核理論原理的建立奠定了基礎。
實驗表明，原子核的性質隨著質子數和中子數的增加而顯示周期性變化。與核外電子類似，原子核內部存在某種殼層結構，而這些數字（稱為幻數）正代表核子填充形成的滿殼層。這個模型稱為原子核的殼層模型。與費米氣體模型相同，殼層模型同樣認為，原子核內每個核子受其他核子作用的總效果相當于一個平均勢場。
殼層模型解釋了原子核性質的周期性、幻數的出現、中子質子數不等以及核磁矩等許多問題，但仍有不足之處。這體現出，它采用的平均場實際上是一種單粒子近似，沒有全面充分考慮核子間的相互作用。
原子核中除了單核子自由度外，還存在原子核集體運動形態。原子核集體運動形態可以有集體振動和集體轉動。這種模型稱為集體運動模型。原子核的平衡形狀是球形時，原子核相對其平衡形狀會發生微小變化，這就是球形核的振動。不過，原子核的集體振動頻率都比較高，對原子核的低能性質影響較小。一些原子核具有較大的電四極矩，表明其形狀與球形偏離較大，稱為變形核。變形核不僅有較大的電四極矩，而且還會產生集體轉動。
觀測實驗
對原子核的觀測研究可通過“散射實驗”，其原理為：用α粒子轟擊各種物質，并在黑暗中用顯微鏡觀測α粒子撞擊各種物質屏幕時產生的微小閃光點的數量。然后在放射源和屏幕中間放一些金屬箔，當α射線穿過金箔時，一些α粒子會被金箔散射，最后計算直接穿過各種薄金屬箔和被反彈回來的α粒子數量的比例（即測量偏轉的α粒子的比例）。
后來，人們發明了粒子加速器，其能提供更高的能量和更高強度的粒子，科學家可以不用在黑暗的房間里用肉眼觀察和數閃光點，而是使用復雜的電子探測器來觀察，并用陣列式計算機來分類和存儲實驗產生的數據。
與其他學科的聯系
天體物理學
天體物理學、宇宙學的研究表明，宇宙演化的早期和某些天體演化的特定階段，核過程起關鍵和主導作用。恒星演化、超新星爆發是最典型的例子。恒星不間斷地放出的大量能量以及超新星爆發短時間釋放出的巨大能量主要是核能。早期宇宙演化、元?素形成時期和殘留至今宇宙中的元素及同位素豐度及天體演化的各個階段，充滿了各種原子核（包括壽命極短的原子核）的形成和演變的過程，只有完全了解這些原子核的基本過程，才能對這些天體和宇宙學的演化過程認識清楚。另外，像中子星這樣的天體，除了其核心可能是夸克物質形態外，包圍核心的主要成分是中子，物質密度達到了原子核的程度，好比是半徑約為10千米的巨大“原子核”。
原子物理學
原子物理學主要以原子的結構、運動規律以及相互作用為主要研究內容。它代表著物質結構研究的一個層次，這個層次介于分子和原子核兩個層次之間，稱之為原子。原子核物理學是比原子物理學更深一個層次的基本理論。
粒子物理學
粒子物理學是從核物理學發展而來的——在原子核的研究中，通過高能射線與原子核的相互作用，發現了許多新的粒子，為粒子物理學的發展奠定了基礎。粒子物理學的誕生和發展深受核物理學的影響，而粒子物理學的發展反過來又影響著核物理學的某些基本問題的研究。
應用領域
原子核物理學應用幾乎遍及工農業生產、醫療等各領域。
核物理領域
核能開發
核能開發是核技術應用又一主要領域，核物理研究為核能裝置的設計提供精確的核數據，探索更有效地利用核能的途徑，為提高核能利用的效率和經濟指標提供理論保障，并為更大規模的核能利用準備了條件。
中子束技術
由于中子束在物質結構、固體物理、高分子物理等方面的廣泛應用，人們建立了專用的高中子通量的反應堆來提供強中子束。中子束也應用于輻照、分析、測井及探礦等方面。
離子注入技術
離子束已廣泛地應用于材料科學技術和固體物理的制備和精密加工。離子束也已用來作為無損、快速分析的重要手段，特別是質子微米束可用來對表面進行細致掃描分析，其精度是其他方法難以比擬的。
核武器
原子核物理學一系列重大發現，為研制軍用核武器提供了理論和實驗依據。 比如，利用核裂變釋放的能量“點火”，克服氫核間的電磁庫倫勢壘，使氫核聚到一起引起核聚變，成為氫彈的物理原理。
醫學領域
在核物理發展的最初階段人們就關注它的可能的應用，?并且很快就發現了射線對某些疾病的治療作用。這是核物理在發展之初就受到社會重視的重要原因。放射治療和放射診斷是核技術應用的最重要的領域，其中新型的質子和重離子治癌技術以及先進的放射診斷技術如聚對苯二甲酸乙二醇酯/CT被廣泛使用。同時快中子治癌已取得一定的療效，以及硼中子俘獲治癌（BNCT）技術的研究與應用也受到重視。
地質與考古學領域
同位素在地質學與考古學中的應用，如空氣中12C和14C存量之比是1012:1.2，活著的生物體中碳的這兩種同位素存量之比也是此值。而死后的生物體因不再吸收碳，其遺骸中的14C因衰變逐漸減少。測出古生物遺骸中12C和14C的存量比，同空氣中的比值比較，再利用14C的半衰期為5600年，就可以算出古生物體死亡的年代。
其他領域
同位素示蹤技術還廣泛應用于工業、農業等。農業上把放射性磷32P加在肥料中，它被植物吸收后在植物體內輸運的情況可用儀器測出，這樣就知道磷對植物作用的一些情況。
加速器及同位素輻射源已應用于工業的輻照加工、食品的保藏和醫藥的消毒、輻照育種等。為了研究輻射與物質的相互作用以?及輻照技術，又衍生出輻射物理、?輻射化學等邊緣學科以及輻照工藝等技術部門。此外，同位素儀表在各工業部門用作生產自動線監測或質量控制裝置。
參考資料 >
原子核物理學.術語在線.2024-03-01
原子核物理學.中國大百科全書.2024-03-02