把原子週邊的電子去掉，剩下的核心部分就是原子核。簡稱核。原子的尺寸是10–8釐米的量級，而原子核的尺寸是10–13釐米的量級，但原子的品質卻幾乎全部集中在原子核上。對原子核的性質、結構和運動規律的研究是現代物理學的一個重要內容。原子核的性質因其所處的狀態而有所不同。下面著重敘述原子核處於基態時的主要屬性。
原子核的組成 一般認為，原子核由質子和中子組成，質子和中子總稱為核子。原子核的核子數以A表示。質子數以Z表示，中子數以N表示，A=Z+N。在一定條件下，一個或兩個超子也會被束縛在核內。這種含有超子的原子核稱超核。介子是可傳遞核力的，因此現在也在探索真實介子能否成為原子核的成分而束縛在核內。這個問題至今尚無定論。
原子核物理學中，原子核用AZXN表示，X是元素的名稱。如氫核記為11H0，氦核記為42He2等。Z相同N不相同的原子核稱為同位素；N相同Z不同的原子核稱為同中子素；A相同而N及Z不相同的原子核稱為同量異位素。2001年底，核素的數目已超過3 000種。其中，除瞭279個穩定核素和68個天然放射性核素外，其餘的都是在實驗室內人工產生的。核素的總數還在逐年增加，理論預言總共可能有6 000～8 000種核素。
原子核的質量實際上測量的是原子質量，規定自然界中碳的豐度最高的同位素12C質量的1/12為原子質量單位，並以u標記。1u=931.494 32 MeV/c2＝1.660 539×10−27千克。其他原子的質量總是接近於這個單位的倍數。例如氫原子11H的質量=1.007 825u；鈾原子23892U的質量=238.050 816u。
原子核的質量應為原子質量減去原子中全部電子的質量，再加上原子中電子的結合能。這樣得到的原子核的質量，總是小於組成它的全部中子和質子的質量和。這二者之差，就是原子核的結合能。如一個中子和一個質子的質量和是1.008 665u+1.007 276u= 2.015 941u。而一個氘核的質量是2.013 553u，二者相差0.002 388u，約合2.224兆電子伏，這就是氘核的結合能。它表明當一個中子與一個質子結合成氘核時，要放出2.224兆電子伏的能量，它同時也是氘核分裂為自由中子和質子所需要的最小能量。而化學反應釋放的能量是電子伏特的量級，所以核反應釋放的能量要比化學反應幾乎大百萬倍。核的總結合能B被質量數A除，稱為該核每個核子的平均結合能。圖1給出瞭核子平均結合能ε同質量數A的關系。
圖1 核子的平均結合能
從圖1可以看出，原子核的平均結合能ε有如下的特點：①元素鐵以下的輕核的平均結合能隨A值增加而增加，鐵附近的核素的平均結合能最大。因此，輕核之間的形成鐵或比鐵輕的核素的融合反應是放熱反應。星體演化過程中，這些核反應又稱“燃燒”過程，是星體向外輻射能量、抗拒引力坍縮的主要能源。宇宙中鐵和比鐵輕的核素，就是通過這些反應形成的。特別是由兩個21H結合成42He會放出大量的能量。這是利用核聚變獲得核能和制造氫彈的依據，也是太陽的主要能源。②中等質量數(A為40～120)的那些核的平均結合能近似相同，數值也大，在8.6兆電子伏左右，核一般比較穩定。質量數A更大時，核子的平均結合能逐漸下降，如238U的平均結合能為7.5兆電子伏。這樣，當一個重核分裂成兩個中等質量的核時，平均結合能由小變大，有核能釋放出來，這是獲得核能（如反應堆、原子彈和核電站）的重要途徑。③質量數在30以上的原子核中核子平均結合能變化不大，原子核的結合能B差不多同質量數A成正比，這顯示瞭核力的飽和性，也是核力短程性的體現。
圖2 核內質子數密度分佈實線為哈特裡–福克的理論計算結果，虛線為實驗結果
原子核的大小 研究原子核大小最直接的方法，是用高能電子散射測定核內質子數密度分佈ρZ(r)，圖2給出瞭對幾個球形核實際測定的ρZ(r)。從圖中可以看出，核的內部密度有一些漲落，但可近似地看成常數；距邊界大約2×10－15費米范圍內，迅速下降到接近零的值。核內的中子數分佈（即中子數密度）ρN(r)不可能用電子散射測出。根據其他一些實驗的分析，對於大多數原子核，可認為ρN與ρZ的分佈基本相似。但近年來的實驗表明，有少數原子核，特別是一些不穩定核，它們的分佈可相差很多，形成所謂的中子皮、中子暈，偶爾還有質子暈。
原子核的自旋和原子核的磁矩 原子核的自旋就是原子核的總角動量，它是質子、中子的自旋角動量與它們的軌道角動量的矢量和。同一原子核處於不同的能級時，自旋可以不同。習慣上把處於基態的自旋稱為核的自旋。
質子和中子都有磁矩，質子的軌道運動對磁矩也有貢獻，因此自旋不為零的原子核都有磁矩。核磁矩的單位是核磁子μN
一些核素的自旋和磁矩的測定值見表。利用核殼層模型，可從理論上計算核自旋和磁矩。自旋的計算結果，一般可與實驗相符；磁矩差一些。加在自旋數值右上角的“＋”或“－”表示宇稱的正負（見表）。
一些核素的自旋、磁矩和宇稱| 核素 | 自旋和宇稱 | 磁矩(μN) |
|---|---|---|
| 10n |
|
−1.913 04 |
| 11H |
|
2.792 85 |
| 21H | 1+ | 0.857 438 |
| 42He | 0+ | 0 |
| 73Li |
|
3.256 42 |
| 94Be |
|
−1.177 8 |
| 115B | 2.688 64 | |
| 126C | 0+ | 0 |
| 147N | 1+ | 0.403 76 |
| 168O | 0+ | 0 |
| 2010Ne | 0+ | |
| 4020Ca | 0+ | 0 |
| 7332Ge |
|
−0.879 47 |
| 11549In |
|
5.540 8 |
| 13756Ba |
|
0.937 4 |
| 17671Lu | 7－ | 3.19 |
| 20882Pb | 0+ | |
| 23592U |
|
−0.35 |
原子核的形狀和電四極矩 各種原子核具有各種不同的形狀。同一原子核處於不同狀態時形狀也有差異。一般來說，可分為球形、長橢球、扁橢球等。滿殼核（見核殼層模型）的基態是球形的。兩個滿殼之間的核的基態是偏離球形的，如稀土區元素的核的基態為橢球形。16O的基態是球形的，但它的某些激發態形狀有所改變。這種對球形核偏離的核稱為變形核。有些原子核的形變很大，長短軸之比可達到2∶1，這樣的原子核又稱超形變核。
變形核的電荷分佈與球形的偏離程度，常用電多極矩來描述。電多極矩可分為電偶極矩、電四極矩等。原子核沒有電偶極矩，最重要的是電四極矩。核電四極矩Q與其電荷分佈有下列關系，dτ表示點P(x,y,z)處的體積元（圖3）。
圖3 變形核示意圖
式中ρZ(r)為質子數分佈密度，e為質子電荷，z軸取在原子核的對稱軸上。變形核的電四極矩是相當大的。
原子核的同位旋 最初引進同位旋的概念是為瞭描述核子的兩種不同的電荷狀態（質子態、中子態），核子的同位旋矢量的第三分量為1/2或−1/2，分別對應這兩種狀態。原子核的同位旋是核內核子同位旋的矢量和，同位旋量子數用T表示，同位旋第三分量用T3表示。
具有Z個質子、N個中子的核，T3 =(Z－N)/2原 子核的總電荷數為T3+A/2。核反應中，系統在反應前與反應後的總電荷守恒，核子數也守恒，因此T3也守恒。
原子核的宇稱 原子核的狀態是具有確定的宇稱的。一個原子核狀態的宇稱的奇偶，可通過核反應或核衰變來確定。同一個原子核的基態和激發態的宇稱可是不同的。宇稱在強相互作用（如核力）下是守恒的，在弱相互作用（如β衰變）下是不守恒的。