（第一节 ）原子核的发现
1897年，英国科学家汤姆生发现了电子，而且他还测定了电子的质量。他发现电子的质量仅是氢原子的1/1840，那么原子中大部分的质量应该是在那里呢？整个原子是呈电中性的，电子是负电性的，于是汤姆生就想，原子中带正电那部分物质，质量一定很大，而且可能是它占据了原子的整个空间。这就是汤姆生的原子模型。
1911年，当时在英国工作的物理学家卢瑟福与他的助手们做了一个实验：他们用α粒子作“炮弹”去轰击一片金属箔，在箔后面放置观测用的硫化锌屏，当α粒子打到硫化锌屏上时，就会发生闪光，实验结果，大部分α粒子能穿透金属箔，按照汤姆生的模型，说明金属箔的原子对α粒子运动没有产生什么大影响。于是他们又把硫化锌屏移动了若干角度来观测，当他们移到与α粒子源同一侧时，却发现了特别出乎意料的情况，即发现有极个别的α粒子发生被金属箔反射回来的现象。初步估计了一下，大约每发射8000—10000个α粒子中，可能有一个α粒子被这样反弹回来。看来原子当中绝大部分空间确是空荡荡的，α粒子可以轻易穿过。即使α粒子碰上了原子中的电子，由于电子质量比它小7000多倍，当α粒子与它相碰时。那只好比汽车碰到小石子那样一冲而过。
那么卢瑟福实验中那个个别α粒子发生那样大的拐弯反弹回来的现象又说明了什么呢？这说明原子当中一定有一个质量至少比α粒子质量大许多倍的东西，用卢瑟福自己的话来说，“这好比用15英寸的炮弹射击一张薄纸，而炮弹竟然会被反弹回来击中你。”根据库仑定律，作用在电荷上的力与电荷的大小成正比，与两电荷间的距离的平方成反比。
估算一下，我们会发现α粒子只有在和一个质量比它大好多倍，距离它10-12厘米的正电荷相遇时，才能够发生那么强烈的静电斥力。那就相当于一辆小汽车以极快速度和一辆大汽车相撞而被弹回去的情况差不多。当然由于静电的斥力随距离r2成反比，所以α粒子越是靠近那个靶物质，其斥力越大，实际上并不需要“相碰”才反射回来，这点与宏观物质如两汽车的相撞是有原则区别的。
所以得出结论：原子当中，一定有一个带正电的但体积却只有10-12厘米这样微小的东西。这也就是说原子的质量绝不是均匀地分布在它所占据的空间的整个体积内，而是与它的正电荷一起集中在体积只占整个原子体积一百万亿分之一的体积里。这就是在整个原子世界中几乎主宰一切的、带电的、微小而且很重的核心棗原子核。打一个比方吧，如果把一个原子放大成地球那样大，那么原子核充其量不过是地心当中一座高楼而已，或者说如果把原子放大成一座千人以上的大礼堂，那么原子核不过是礼堂当中一张桌子上放的一颗芝麻。原子核集中了原子中99.99%的质量。当时卢瑟福想像原子可以与太阳系相比，如果将原子核比作太阳，则电子就好比绕太阳为中心旋转运动的行星，而在这“行星”与“太阳”之间，基本上是空荡荡的宇宙空间，这就是卢瑟福提出的原子核模型。1910年卢瑟福和他的助手盖革、马斯登的这一杰出实验，揭开了原子世界最重要的一幕。它比汤姆生模型更好地解释了原子结构，成为原子结构的基本观点。
（第二节 ）原子核的基本性质
我们初步有了对原子当中有原子核这样的认识，我们进一步再探索一下，原子核究竟是由什么东西组成，它本身又有那些最重要的特征，它的结构如何，以及我们通过什么手段可以研究这样小的微观世界？
原子核的电荷、质量和组成成分
1.电荷
我们已经从卢瑟福的α散射实验知道，α粒子碰到原子当中的原子核时，由于静电排斥，会被改变角度。当时卢瑟福就已经用数学方法算出了这种散射所应遵循的定律，他发现沿着一定角度散射的粒子数目，应同散射金属箔的厚度及原子核的电荷的平方成正比，并且同入射的粒子（指当时用的a粒子）的速度的四次方成反比。所以通过这实验就可以测定各个元素的原子当中，它的核所带的正电荷的数值，并且证实各种原子核的电荷与核外电子总的电荷数值相等，符号相反。这个数值就是该原子所占据的周期表中的原子序数。因此我们知道，原子核是带正电荷，数值是最小电量单位（e＝4.8×10-10静电单位）的整倍数，这倍数通常用Z表示。测定这样小的原子核电荷，可以通过许多方法。可以用化学的办法，因为原子的不同化学性质就可以确定它在周期表中的位置，位置的顺序，就是原子核外电子数目，而核的正电荷仅是与其数量相等、符号相反而已。但比较准确的而又比较广泛的测量核电荷的办法是用测定特征X射线的方法。
我们知道，原子核周围的电子是按严格的规律一层一层围绕着核而运动，最靠近原子核那层电子叫K层电子，而K层电子最多只能有两个。由于K层电子最靠近原子核，它又和核带相反符号的电荷，这样异性相吸，K层电子必然要受到原子核最大的吸引力了。吸引力的大小与彼此带的电荷大小有关，所以当我们设法把原子激发，把K层电子从最靠近原子核的位置移到远离原子核的其他未被电子占据的轨道上时，靠近K层的其他层次如L层、M层的电子，就会跑到被激发而跑开的原K层电子的位置上，当K层的两个电子空位被其他层电子占据之后，这个情况就不复存在了。在这两个电子占据空着的K层电子位置时，会同时辐射出一束电磁波，这电磁波的频率是与K层的特征密切相关，因此我们就叫特征Ka线。
自然界中存在的原子核中最高原子序数是铀，它的原子序数是92，但是人工制造的元素最高的可到107单位电荷，第106号元素美苏两国各自宣称是他们首先发现的，因而106号元素的名称，甚至连同104号、105号两元素的名称目前尚未最后定下。
2.原子核质量
显然原子的质量应该是原子核质量与核外电子质量之和，所以知道了原子的质量，只要减去所有电子的质量就是原子核的质量。
测定原子质量的办法，也有许多种。通常可用质谱仪作准确的测定，但是在原子物理中，以前表示原子质量是取氧的最常见的同位素16O原子质量的1／16为一个质量单位，称为原子质量单位。这是因为氧可以与多种元素化合，取它为单位去测量原子质量就较为方便。但氧又有许多同位素如16O、17O、18O等等，它们的化学性质都相同，所以通过化学方法测量的原子质量就只有平均的意义，或者说原子质量的化学的单位要比物理单位大些。
1960年，物理学和化学的国际学术会议决定统一物理和化学单位，采用碳的同位素12C原子质量的1／12作为一个原子质量单位，这个单位比16O单位要大些。如果我们定义一个原子质量单位为m，由于任何物质的每克原子数目都相同即等于阿弗加德罗常数6.023×1023个原子，所以12克12C原子中就有这么多数目原子，一个原子质量就等于用这个常数去除12，我们定义12C原子质量的1/12为原子质量单位，那么显然1u=1/NA=1.6606×10-24克，我们把其他的原子与它作比较，得出各种原子的相对质量。
例如用12C原子质量为基准得到铁的原子量是55.85，锌原子量65.37。所以55.85克的铁原子和65.37克锌原子数目是彼此相等，都等于6.023×1023个原子。在原子质量单位中，各种原子核的质量所接近的整数，以A表示，叫做原子核的质量数。
根据此定义，铁的质量数A为56，锌的质量数A为65。电子的静止质量是9.1091×10-28克或5.486×10-4原子质量单位；质子的静止质量是1.6725×10-24克或1.007277原子质量单位；中子的静止质量单位是1.6748×10-24克或1008665原子质量单位，氦原子质量是4.002604原子质量单位。而碳则是12.000000原子质量单位，氧原子质量为15.9949原子质量单位，最重的元素铀原子的原子质量单位是238.04944原子质量单位。
电荷数和质量数是表征原子核的最基本量。通常用AZX表示不同的原子核，X代表某一元素，如He、C、O等就是氦、碳、氧的名称；左下角Z的数字即原子序数，也就是原子核所带的电荷数；右上角A为原子核的质量数。相同Z不同A的原子核称同位素，氧的自然界三种同位素各自占的比例：16O占99.76％，17O占0.04％，18O占0.20％。
3.原子核的成分
要了解原子核，必须变革原子核，对原子核组成究竟包含那些成分，实际是用人为的办法变革原子核之后才知道的。当我们用α粒子去打击原子核，会引起原子核的变化，当然，质子与中子虽然共同组成原子核，但它们之间不是一成不变的，而是不断在变化着，在一定的条件下，它们之间还可以相互转化。中子转变为质子时，同时放出电子和反中微子；质子转变为中子时，放出正电子和中微子。
原子核的半径和结合能
1.核的半径
在卢瑟福α散射实验中，我们已经知道，原子当中，有一个其直径约为10-12厘米这样小的原子核。除α粒子以外，也可用中子或者质子进行散射实验，测定原子核的精确的半径。从各种散射实验测得的原子核半径R与原子质量有一定的关系：R＝r0A1/3式中r0是一个常数，它的数值在1.2×10-13厘米到1.5×10-13厘米之间，A是原子核的质量数，这就是说，重原子核的半径应该稍大一些。
近年来还利用高能电子，即100—900MeV甚至更高能量的电子作为对原子核的散射实验，研究原子核的电荷分布。因为电磁的相互作用规律，我们已经了解得比较仔细，所以高能电子散射实验来研究核的电荷分布和核的半径，应该说是比较更为精确的实验。从实验结果分析得出：r0大约是1.20×10-13到1.30×10-13厘米，对金原子核，测得它的r0约为1.180×10-13厘米。似乎由各种方法得出的原子核半径都较接近，这点虽然表明各种方法测量的结果都是比较可信，但还有一种趋势，即越是精确的测量，得出的核半径，越是向小的方面发展。
如果把原子核看作是一个近似球形，则我们知道原子核的体积和A成正比，也就是说，一切原子核，它们的密度是近似相等的。近年来，精确的高能电子散射，还表明原子核的密度在其近表面一层呈略有减小的趋势。
2.核的结合能
我们在原子核衰变的一章中已经知道，原子核衰变通常都伴随着发射α、β射线和γ光子，如226Ra经过α衰变，变成222Rn，放出的α粒子能量为4.777MeV。大约一克镭有2.66×1021个原子核，如果它全部都进行衰变，那么放出的能量大约相等于几百千克好煤燃烧时放出的能量。同样，其他进行β、γ衰变过程中放出来的β、γ射线也都具有很大的能量，这么大的能量从何而来呢。
要揭开这个问题的秘密，我们可以考虑一下，镭在衰变过程中发生了什么变化？我们知道，镭质量为226.025360，氡的质量是222.017530，氦原子核质量是4.002603，而氡与氦两者之和是226.020133，这样衰变后质量比原来衰变前的镭的质量减少了。这减少的质量跑到那里去了？我们知道质量不会消灭的，任何反应都应该遵守变化前后质量保持相等的质量守恒定律。
面对着这种情况，唯心主义和唯物主义给出完全不同的回答，唯心主义者认为，质量变成了能量，叫嚷“质量消灭了”、“物质消灭了”，这完全是错误的。物质不灭是唯物主义的基本观点，质能关系不仅说明质量和能量的相互转化，而是说明一定质量的物体具有一定的能量，在任何过程中，质量和能量都是各自守恒的，质量和能量都是物质运动的基本属性，是不可分割的。在镭衰变过程中，其质量的变化是：△m＝226.025360-226.020133＝0.005227u如果我们用爱因斯坦导出的物体的能量和质量之间的一个关系式：E＝mc2则可得：△E＝4.868MeV。实验测得镭衰变时放出的α粒子动能是4.868MeV。由于任何静止物体的一定质量，都包含着与其相应的静止能量，镭核的衰变过程就是把这部分亏损的静止质量变成α粒子的动能形式释放出来。
观察各种原子核的衰变及原子核其他变化的种种过程，均发现原子核有类似情况，即在其变化前后发现原子核质量有发生变化的现像；而且可得出任何一个原子核的质量，常比组成它的核子即中子和质子一个个单独的质量分别加起来为小。如α粒子（氦原子核）由二个中子和二个质子所组成，但氦原子核要比2倍的中子质量和2倍的质子质量加起来略小一些。一般来说，AZX的原子核的质量MA要比Z×Mp＋（A－Z）Mn为小，此处Mp为质子的质量，Mn为中子的质量，就是说，在形成原子核时，质量是有亏损。所以我们得出，在中子与质子形成原子核时，常有大量的能量释放出来，这能量就是原子核的结合能。
原子核的角动量，磁矩和电四极矩
1.角动量
恩格斯说过，整个自然界，从最小的东西到最大的东西，从沙粒到太阳，都处于无休止的运动变化之中。物质在小的方面，直到构成物质的分子、原子，都是不断地运动着。对于构成原子的电子与原子核也不例外，也是不停地在运动着变化着。各种各样的实验都证明，原子核作为一个中子和质子的整体，也总是像经典力学中陀螺那样在旋转着，而且组成原子核的每个中子与质子本身也是不断地旋转着运动着。像用角动量描写经典力学陀螺旋转运动一样，我们也可以用角动量去描写原子核的集体旋转运动和单个核子的旋转运动。但是值得注意的是在原子、原子核这样微观小物体里，运动不像宏观的物体一样有连续的值，它只能是取一些不连续的值。