1896年，贝克勒尔发现天然放射性现象以后，人们对物质结构的研究进入到微观领域，建立了物质微观结构的三个分支学科，即原子物理、核物理和粒子物理。原子能的释放为人类社会提供了一种新能源，推动社会进入原子能时代，在这些发展中，核物理起到了关键的作用。核技术的广泛应用已成为科技现代化的主要标志之一。
（一）揭开原子核内部的奥秘
核物理的发展
由于原子核是原子的核心，它的性质决定着电子的结构和行为，所以研究核物理对进一步认识原子至关重要，而且核物理的深入研究直接导致核能开发和基本粒子研究，因而在20世纪科学革命中占有重要地位。在这一过程中，在科学家们的努力探索下，随着质子、中子被捕捉的精彩一刻的产生，原子核的内部奥秘终于被揭开。
1.原子核的发现
卢瑟福模型提出后，科学家们通过对放射性的研究终于打开了原子核的大门。1919年，卢瑟福用α粒子作“炮弹”去轰击氮、氟、钾等元素的原子核，结果都发现有一种微粒产生，电量是+1 e，质量是1amu(原子质量单位)，从而发现了他自己所假设的质子。1920年，卢瑟福又极富远见地提出了中子的假说，为日后中子的发现奠定了基础。
2．中子的发现
1930年，德国科学家玻特和其学生贝克用镭的a射线轰击铍原子核产生出一种神秘的穿透力很强的射线。1931年，约里奥·居里夫妇用钋的α射线研究了这种射线，测出其能量巨大而且是一种不带电的粒子，于是约里奥·居里错误地判断它是中性γ射线。后来，查德威克从老师卢瑟福那里接受了存在中性粒子的想法，认为这种中性粒子为中子。他用威尔逊云室进一步观察研究，查明这种具有强穿透力、不会被磁场偏折的新射线并非γ射线，其质量为1amu，电量为0，从而于1932年2月宣告了中子的发现。
中子的发现，给人们探索原子世界创造了更好的条件。查德威克因这个重大发现，于1935年获得了诺贝尔物理奖。当他获得诺贝尔奖时，约里奥·居里为错过良机而抱憾终生。中子的发现不仅使人们对原子内部结构的认识又深化了一大步，而且为人类实现核衰变，利用原子能提供了可能，被誉为原子科学中继放射性之后的第二个重大发现。它标志着原子核的研究开始进入了一个新的时代。
3．原子核的组成
随着质子、中子的相继发现，对原子核结构的认识已是水到渠成。1932年，科学家总结了前人的研究工作，提出了原子核结构的理论：原子核是由质子和中子组成的。
元素原子核里质子的数目等于核所带的正电荷数，也等于元素在门捷列夫周期表里的原子序数，又等于核外电子数，中子数目等于原子质量数与原子序数之差。从此，一门研究原子核结构及其运动的原子核物理学诞生了。之后，人们进一步了解到基本粒子的结构，从而又诞生了一门基本粒子物理学。
二、原子核的基本性质
1．原子核的电荷
电荷是原子核的重要特征之一。1910年密立根用油滴平衡法实验测出了电子电量，认为自然界不存在比电子更小的电荷，只能是电子电量的整数倍，电荷是量子化的。原子核带的正电荷量恰为e的整数倍，习惯上用符号Ze表示，e代表基本电荷(e=1.602×10-19C)，Z称为核电荷数，即原子核含有的质子数。
因为整个原子是中性的，所以z亦为核外电子数目，也就是该原子的原子序数。
核电荷数相同的原子具有相同的化学性质，通常就把核电荷数相同的一类原子称为一种元素。
2．原子核的质量
质量是原子核的另一重要特性。原子核的稳定性以及核转变时能释放出多少能量都与原子核的质量和它的变化有密切的关系。
原子或原子核的质量是非常小的，为方便起见，规定以一个碳-12原子质量的1/12作为原子质量单位(碳单位)，记为u(u是unit的缩写)。
1u=1.992678×10-2612=1.660566×10-27(kg)
如果忽略原子中电子的束缚能，原子核的质量就等于原子质量减去核外电子的质量。电子的质量很小，为5.4858×10-4u。所以在进行与原子核质量有关的计算时，通常应用的都是中性原子的质量而不是核的质量。另外，用u作单位表示的原子质量都接近于一个整数，我们把这些整数称为原子核的质量数，并用字母A表示。由于质子和中子的质量都非常接近于1u，因此质量数也就等于核中质子和中子的总数。
具有确定的Z和A的一种原子核常称为一种“核素”；Z相同A不同的核素称为同位素，它们属于同一种元素，在周期表中的位置相同，例如氢有三种同位素：11H、21H、31H；A相同Z不同的核素则称为同量异位素，如31H和32He。
3．原子核的半径
原子核很小，目前还无法直接观察。目前所有表示原子核大小的数据都是通过实验间接测得的。原子核大小可用多种方法来测定，如α粒子的核散射、电子的核散射等。各种实验结果表明，原子核在一般情况下是接近球形的，故通常用核半径来描述原子核的大小。各种实验结果表明，原子核的半径只约为10-15～10-14m，并与质量数A有以下近似关系。
R≈r0A1/3
式中，r0为常数，用不同的方法测出的数值略有差别，一般是在(1.1～1.5)×10-15m之间，通常采用r0=1.2×10-15m，由此可以计算出原子核的密度约为1014g/cm3，远大于自然界物质的密度(约1g/cm3)。
4，原子核的结合能
根据相对论的质能关系式E=mc2可知，当质子和中子结合成为原子核时，有质量亏损，必然放出相应的能量△E=△mc2，这个能量叫做原子核的结合能。显然，如果要把原子核分裂成核子，必须给以同样的能量。核子组成不同的原子核时，放出的结合能的大小是不同的。原子核的总结合能除以核子数就得到核子的平均结合能，即比结合能，其意义是：核子结合成原子核时，平均每个核子所释放的结合能。平均结合能的大小表征着原子核稳定的程度。显然，比结合能大的原子结合得紧，比较稳定，反之则结合得松，不很稳定。对于轻核，如：42He、84Be、126C、168Q等核的比结合能为极大，63Li、105B、147N、189F等核的比结合能为极小；对中等质量的原子核(A=40～120)比结合能近似等于常数，约为8.5MeV；对于重核，如铀-238的比结合能约为7.5MeV，比中量核的略低。因为除少数轻核外，所有的原子核的比结合能都近似等于常数，所以结合能可粗略地认为和核的质量数A成正比。
由于中等质量的原子核的核子平均结合能比重核的大，这说明核子结合为重核和很轻的核时放出能量较少，结合成中量核时放出能量较多。从能量的角度来看，这些核子结合成两个中等质量的原子核时放出的能量要大于这些核子结合成重核时放出的能量，显然，这个能量差就是重核分裂成两个中等原子核时要释放出来的能量。对于聚变成为稍重核的聚变来说，由于聚合过程中的质量亏损，也能放出大量的原子核能。
（二）核衰变与放射性
放射性的发现
有些元素如铀、镭、钋等能放出一些射线，这些射线看不见，但能穿透光所不能穿透的物体(如黑纸)使照相底片感光，这种性质称为放射性。放射性元素放出的射线有α射线、β射线、γ射线。α射线是带正电的高速粒子流，它们以相当高的速度(每秒钟将近2万公里)从放射源中放射出来。它的贯穿能力小而电离能力强。β射线是原子内放出的高速运动的电子流，它的贯穿能力强，但电离能力小。γ射线是原子内放出的能量很高的电磁波(即光子流)，它的贯穿，极强，但电离能力很小。
自然界存在300多种核素，其中280多种是稳定核素。自1934年以来，人工制造出许多放射性核素，例如兰州近代物理研究所1992年在世界上首次合成并鉴别出208Hg及185Hf两个新核素，1993年又首次合成并鉴别出新核素237Th。现在已知的核素约3000种，而核结构理论预言，核素种类可达8000多种。
核衰变
放射性现象的本质是原子核的衰变过程。放射性核是一个量子体系，核衰是一个量子跃迁过程，遵从量子力学的统计规律。在衰变过程中，原子核的数目随时间按指数规律减少，其衰变规律为N=Noe-λt，式中N0为t=0时放射源中放射性元素的原子核数目，N为t时刻放射性原子核数目，λ为衰减恒量。单位时间内发生的核衰变的次数称为放射性活度，以A表示，单位为s-1，则A=A0e-λt，式中Ao=λN0。放射性活度衰减到原来一半(A=A0/2)所需的时间τ称为放射性元素的半衰期，即τ=1n2λ=0.693λ。
各种放射性元素的半衰期差别很大，从10-9s到109年。半衰期是鉴别不同放射性核素的重要指标。半衰期的一个重要应用是地质学中用以确定地质年代，考古学中用以确定古生物或文物的年代。考古学中常用的放射性核素是146C，τ=5730年。
不稳定核素会自发地蜕变成另一种核素，同时放出各种射线，并由一种元素转变成另一种元素。在通常情况下，原子核的放射性衰变有以下三种。
α衰变：α衰变的反应式为AZXA-4Z-2Y+42He
它表示在α衰变中，放射性元素X的原子核放出一个α粒子(42He)，蜕变成一种新元素Y，其原子核的质量数比原来元素的质量数减少4，而电荷数减少2，即在周期表中的位置移前两位。
β衰变：β衰变的反应式为AZXAZ+1Y+0-1e
它表示在β衰变中，原子核放出一个β粒子(0-1e)时，新元素原子核的质量数不变，而电荷数增加1，即在周期表中的位置移后一位。
放射性元素因α衰变或β衰变而引起元素原子序数变动的规则，称为位移定则。
γ衰变：处于激发态的原子核向低激发态或基态跃迁时，往往就发出7光子，这种现象称为7衰变或7跃迁。这种过程只是核的能级发生变化，而核的组成不发生变化，元素在周期表中的位置不变。
人工核反应
1919年，英国科学家卢瑟福用α粒子轰击氮原子，发生核反应，产生了氧原子。这使人们意识到，用微粒轰击原子的核反应可以使一种物质变成另一种物质。核反应不仅能使物质发生改变，而且能使原子核内的微粒释放出来。
用人工方法产生放射性元素的现象称为人工放射性现象。1961年人们首先利用核反应合成了103号元素镑Lr。一系列超钚元素(Z＞94)都可以用人工核反应的方法制造。
据2004年最新报道，俄美计划明年初合成第18号元素。这些超重元素在工农业生产、医疗和国防上都有特殊应用。
（三）重核裂变与原子弹
奇妙的核裂变链式反应
原子核的裂变就是重原子核通过核反应分裂成两个或几个中等质量的原子核，并同时释放出大量的能量的过程。
1938年，人类终于完成了科学史上的一大创举，用不带电的中子作为“炮弹”去轰击铀原子核，结果使铀核“一分为二”，变成两块质量差不多大小的两个新原子核及几个中子，同时能放出巨大的能量。核反应为23592U+10n→14455Ba+8936Kr+310n。
后来，科学家发现，用中子去轰击铀原子核，铀核分裂的同时会产生两三个新的中子，新产生的中子又会引起新的铀核裂变。
这样，一变二，二变四，四变八，发展下去，即产生裂变的链式反应，从而释放出巨大的能量，链式反应一旦发生就能持续进行下去，正像是星星之火可以燎原，点着的干柴能够熊熊燃烧一样，核裂变的链式反应开辟了释放能量的途径。德国化学家奥托·哈恩首先发现了重核裂变反应，因此被授予1944年诺贝尔化学奖。
核裂变反应进行的速度是极快的，如果任其自然发展，一块铀在百万甚至千万分之一秒的瞬间就会燃烧完毕，形成威力极大的核爆炸。
1945年爆炸的第一颗原子弹就是根据这个原理制成的。为了控制核裂变反应进行的速度，科学家们研制了一种人工控制反应的装置——核反应堆。
链式反应的控制——核反应堆
核反应堆是核电站的心脏。核反应堆有许多种类，按照引起核裂变的中子的能量来分类，可分为慢中子反应堆(通常称热中子反应堆)和快中子增殖堆。所谓热中子是指被慢化剂慢化后，其平均动能ε=kBT=0.025eV(T=300K，kB为玻耳兹曼常数)的中子，速度为2200m/s。而快中子的能量一般大于几十万电子伏特。
1．热中子反应堆
热中子反应堆简称“热堆”，它是依靠速度大为减慢了的，而又处于在热运动情况下的热中子轰击铀-235原子核，使其发生链式裂变反应的。热堆又分为轻水堆、重水堆和高温气冷堆等。轻水(普通水)堆又分为压水堆和沸水堆。
在热中子反应堆内装有专门用来减慢中子速度的慢化剂——水或者石墨等，反应堆里所产生的裂变能通常是用冷却剂带出堆芯的，冷却剂多为普通水、重水、二氧化碳和氦气等。目前，世界上多数核电站用的反应堆都是热中子反应堆，其中压水堆技术最成熟，因而它是世界上核电站采用最多的堆型，占全世界总装机容量一半以上。
我国大亚湾核电站的反应堆就是压水堆。它是用轻水作为中子慢化剂、冷却剂，工作时水被加压到15MPa的压力，故称为压水堆。在压水堆中，水在15MPa的高压下工作，水的沸点变为340～350℃，水温度可以超过330℃而不会沸腾、不产生蒸汽，堆芯出口处水温度一般是310～330℃。
高温气冷堆也是比较先进的一种堆型，它是以惰性气体氦作冷却剂，以石墨作慢化剂。由于石墨耐高温、氦气传热性好，因此高温气冷堆氦气的出口温度可高诀750～1000℃，所以高温气冷堆的一个重要应用可能在于能够提供高温热源，如可以为钢铁、燃料、化学工业提供高温热能等。目前，世界上还没有上规模的高温气冷堆核电站，我国清华大学已建成了一座10MW的高温气冷实验堆。美国和德国也建造了几座高温气冷堆。
2．第二代核电反应堆