核物理学是物理学的一个分支，研究原子核的结构、性质、相互作用及转变。其研究范围包括稳定核与放射性核、组成原子核的粒子的内部结构，以及极端条件下的核物质。它与研究基本粒子和基本作用力的粒子物理学有所交叉，但更侧重于相互作用的组成粒子如何形成原子核及其他核系统。实验测量与理论模型共同用于解释原子核的行为，并为能源生产、同位素应用及宇宙研究提供知识基础。(energy.gov)
历史发展
核物理学起源于对放射性和原子结构的研究。1911年，欧内斯特·卢瑟福将阿尔法粒子散射的测量结果解释为：原子内部存在一个体积很小、质量很大且带正电的核。这一解释取代了正电荷分布于整个原子之中的模型，并确立了散射作为研究亚原子结构的核心方法的地位。随后，詹姆斯·查德威克于1932年发现中子，为将原子核描述为由质子和中子构成的系统提供了依据；质子和中子统称为核子。(nobelprize.org)
在此后的几十年里，量子力学为解释原子核的能级与跃迁提供了理论框架。玛丽亚·格佩特·梅耶和J. 汉斯·D. 延森于20世纪40年代末发展了核壳层模型，通过核子能级的填充解释了核稳定性的重要规律。这一模型与集体运动模型共同表明，要理解原子核的行为，既需要描述单个粒子，也需要将原子核描述为一个各部分相互作用的整体。(nobelprize.org)
原子核的组成与结合
原子核包含带正电的质子，通常还包含不带电的中子。质子数 (Z) 决定化学元素的种类；中子数记为 (N)，质量数为 (A=Z+N)。同一种元素的同位素具有相同的质子数，但中子数不同。原子核的尺度通常以飞米，即 (10^{-15}) 米为单位，远小于原子的尺度。对于许多原子核，其半径近似满足 (R=r_0A^{1/3})，反映出它们的内部密度大致恒定。(energy.gov)
核子之间的吸引力源于强相互作用，而质子之间的电斥力则阻碍它们结合。在更深的层次上，核子由夸克和胶子组成，它们之间的相互作用由量子色动力学描述。因此，核理论将以核子为基本单元的描述与关于其组成粒子的底层理论联系起来。(energy.gov)
核结合能是将一个原子核完全拆分为自由质子和自由中子所需的能量。处于束缚态的原子核，其质量小于这些自由组成粒子的质量之和。根据质能等价，这一质量差对应的结合能为：
[ E_b=\left[Zm_p+Nm_n-M_{\mathrm{nucleus}}\right]c^2, ]
其中，(m_p) 和 (m_n) 分别是自由质子和自由中子的质量，(c) 为光速。每核子结合能总体上随核质量的增加而增大，在铁、镍附近达到高值，此后随原子核进一步变重而减小。这一规律解释了为什么某些轻核结合或某些重核分裂能够释放能量。(openstax.org)
结构与理论模型
原子核具有离散能级，并可发生形状变化、转动和振动。核壳层模型将质子和中子视为占据有效核势中各个量子态的粒子。当质子数或中子数为某些“幻数”时，壳层闭合，使原子核的结合尤为牢固。核子自旋与轨道运动之间的强耦合，是重现实验观测到的壳层结构的关键。(nobelprize.org)
集体模型着重描述许多核子的协同运动，而不只是单个核子的组态。现代核理论研究也从核子间的相互作用出发计算原子核的性质，并在可行时进一步从夸克和胶子出发进行计算。将预测的质量、形状、能级和反应行为与观测结果进行比较，可以检验这些方法的假设及适用范围。(energy.gov)
放射性衰变与核反应
不稳定原子核可通过放射性衰变自发发生转变。在阿尔法衰变中，原子核发射一个氦-4核。在贝塔衰变中，质子与中子的组成通过电子发射、正电子发射或电子俘获等过程发生改变。伽马衰变以电磁辐射的形式释放激发能，但不改变质子数或中子数。(energy.gov)
对于由相同放射性核组成、且单位时间内衰变概率恒定的系综，有：
[ N(t)=N_0e^{-\lambda t}, \qquad T_{1/2}=\frac{\ln 2}{\lambda}. ]
其中，(\lambda) 为衰变常数，半衰期 (T_{1/2}) 是初始原子核中一半发生衰变所需的时间。该方程从统计上描述整个系综，而不能确定某个原子核将在何时发生转变。(openstax.org)
核反应也可以由入射粒子诱发。在核裂变中，重核分裂成较小的原子核，通常还会释放中子，从而可能引发后续反应。在核聚变中，轻核结合形成较重的产物。反应概率取决于入射能量和参与反应的原子核；反应截面用于定量表征这种依赖关系。(energy.gov)
实验方法与应用
核物理实验利用粒子加速器、核靶和辐射探测器研究原子核结构及核反应。电子束和离子束通过散射探测原子核，而放射性束流则使研究短寿命同位素成为可能。对发射粒子和辐射的测量能够揭示原子核的性质，并检验理论预测。重核的高能碰撞会产生夸克—胶子等离子体，使研究人员能够探索与大爆炸后不久的物质状态相似的物质。(energy.gov)
核数据是核能发电、同位素生产以及医学和工业应用的基础。核天体物理学研究核合成，即原子核在早期宇宙、恒星及爆发性环境中的形成过程。对核反应和衰变性质的测量，有助于解释恒星的能量产生及元素的生成，包括在中子星并合等富中子环境中形成的重核。(energy.gov)