研究原子核的相互作用和轉化、原子核的組成和結構規律的學科。簡稱核子物理。20世紀新建的物理學分支。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。作為一門高新技術科學，它還研究粒子束的獲得、探測、分析和應用，核能的利用，同位素的應用，以及為為核武器提供原理和理論基礎。原子核物理學已經有很大的發展，但仍有許多未知的領域。因此，它是一門既有深刻理論意義，又有重大實際應用價值的學科。
發展簡史 1896年，H.貝可勒爾發現天然放射性，這是第一次觀察到的核現象。此後，放射性衰變研究證明瞭主要有α、β、γ放射線，並且一種元素可通過放射α射線或β射線衰變成另一種元素，推翻瞭元素不可改變的觀點，並確立瞭衰變規律的統計性。統計性是微觀世界物質運動的一個重要特點。α、β、γ射線分別是能量在數百電子伏特至數百萬電子伏特間的由氦核、電子、光子構成的粒子束。
α射線曾為探索原子和原子核的結構提供瞭一種前所未有的“武器”。1911年，E.盧瑟福等利用α射線轟擊各種原子，觀測α射線所發生的偏折，從而確立原子核在原子中心占據極小的空間，並幾乎集中瞭原子的全部質量，由此確立瞭原子有核的結構，並提出瞭原子結構的“行星模型”。這一成就為原子結構的研究奠定瞭基礎，原子核這個名稱亦是這時被提出。
在認識原子核結構和運動規律過程中，原子核物理學為建立和發展描述微觀世界物質運動規律的量子力學發揮瞭重要作用，而原子核的物理規律也是基於量子力學來描述的。
1919年，盧瑟福等又發現用α粒子轟擊氮核會放出質子（氫原子的原子核），首次用人工方法實現瞭核蛻變（核反應）。用射線轟擊原子核引起核反應的方法在那段時間裡逐漸成為研究原子核的主要手段。核反應的初期研究中，最主要的成果是1932年中子的發現和1934年人工放射性核素的合成。由此人們認識到原子核主要由中子和質子組成。另外，中子不帶電荷，不受核電荷的排斥，容易進入原子核而引起核反應（見中子俘獲）。從此核物理進入大發展時期。
原子核物理學理論 通過大量的實驗和理論研究，對原子核的基本結構和變化規律有瞭較深入的認識。基本弄清瞭核子之間相互作用的各種性質及其表現形式。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的剩餘相互作用，中子、質子在核力作用下的效應基本相同。但質子帶正電，質子之間的電磁力是排斥的，因此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。每種核素這兩者有確定的數目。通常在直角坐標系中以每個核素的質子數做縱坐標、中子數做橫坐標作圖，稱核素圖。每個核素在圖中占據一個位置。在圖中所有不發生β衰變的核素構成的帶狀區，稱為β穩定線。自然界存在的穩定原子核都在β穩定線附近。遠離β穩定線的原子核會通過發射電子或正電子（或電子俘獲）發生β衰變，最終使衰變後的原子核回到β穩定線附近。對穩定核素或壽命較長的放射性核素的基態和低激發態的性質已積累瞭系統的實驗數據，且研究得比較充分。大量原子核呈現出類似元素周期律那種電子排列殼層結構的表現，在此基礎上，核物理學建立瞭原子核殼層模型理論，成功地解釋瞭原子核的殼層結構分佈規律。同時指出原子核殼層模型的局限性，表現在滿殼層外核子之間的剩餘相互作用相當強，以至於遠離滿殼層（殼模型認為單核子由低能到高能逐層填充殼層時，達到瞭相應的最後一個滿殼層後，尚有大數目核子剩餘）原子核的激發形態能呈現出轉動、振動等集體運動模式。由此原子核物理學還建立瞭集體運動的綜合模型：認為剩餘相互作用的特點之一是對關聯力能使核子兩兩成對，形成角動量為零的核子對，從而提出瞭解釋偶偶核（包含偶數質子和偶數中子的原子核）某些行為的超導模型；在分析核子運動某些動力學對稱性基礎上，提出瞭相互作用玻色子模型等。直接從量子力學多體方程式和實際核力出發的核多體理論也有很大發展，如近年來發展的大規模核多體計算和直接從核子相互作用出發計算核基態性質等。原子核物理學還發展瞭相對論平均場自恰方法等，可計算許多核和核物質的性質，處理核和核物質的核多體理論問題，從而把上述各種核模型置於較堅實的理論基礎之上。
在N.玻爾於20世紀30年代提出的復合核模型的基礎上，不僅發展瞭核反應光學模型和直接反應理論，還逐步發展瞭復合核和核子直接反應之間的預平衡態和門檻態，深度非彈散射，非完全熔合和多重碎裂等機制。
核物理的新進展 隨著粒子物理和高能物理所取得的進展，人們對強相互作用有瞭深入認識，發展瞭揭示包括核力在內的強相互作用本質的量子色動力學(QCD)。實驗上隨著采用高能探針（高能電子、光子或強子）研究原子核方法的發展，已經有明顯的證據表明原子核中存在核子（質子、中子）以外的“自由度”（超子、介子、組成核子的誇克等），從而開辟瞭原子核物理研究的新領域。從人類已知的最基本單元，即誇克、膠子組成核子的角度研究原子核，形成瞭核物理研究的一個新的方向——中高能核物理。它使人們對原子核的認識推向深入，而且對QCD有更多的檢驗。QCD對原子核領域中所發現的新現象的研究，既把相關理論模型提高到QCD的基礎上，又把QCD擴大應用到高能核反應和重離子核反應中。
自中子發現以來，人們通過核反應已成功地人工合成瞭20多種原子序數（原子核中的質子數）大於92的重元素和2 000多種新核素。這類研究進一步表明核素僅僅在一定條件下是相對穩定的，並不是永恒不變的。人們在實驗上不斷改進和開發高新技術（重離子加速器、放射性核束和先進的探測器），在理論的指導下努力發現比鈾元素包含更多質子數的新元素，並期望在超鈾元素方向上發現相對穩定的由眾多新元素形成的“島”，稱為“超重島”。另外，利用放射性核束，力圖發現和研究新的遠離β穩定線的多中子和缺中子同位素的結構特性及其各種反應機制是原子核物理的另一個主攻方向。近年來實驗已經觀察到瞭中子暈核（中子偏多、半徑異常大的原子核），並有質子暈核（質子偏多、半徑異常大的原子核）存在的跡象。理論上對這些暈核尚無滿意的解釋。在相同或類似的技術條件下，研究和測量不穩定的核或激發態間的轉化截面，對於開發利用核能和瞭解天體內部核反應過程極其重要。這是核物理的又一重要發展方向。由於技術手段的進步，原子核的大角動量、高激發態實驗研究取得瞭長足的發展，推動瞭高自旋、大變形原子核理論的研究。
核物理的交叉領域 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的作用。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，充滿瞭各種原子核（包括壽命極短的原子核）的形成和演變的過程，隻有完全瞭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，其主要成分是核子，特質密度達到瞭原子核的程度，好比是半徑約為10千米的“原子核”。為適應這些研究的需要，近年誕生瞭“核宇宙學、核天體物理學、粒子天體物理學”等物理學與天體科學交叉的學科。
核物理應用 A.愛因斯坦相對論的質量–能量公式(E=mc2)是指導核能的轉化和釋放的理論基礎。1939年O.哈恩和F.斯特拉斯曼發現瞭中子引起核裂變的現象。之後又發現瞭每次裂變平均放出兩個以上的中子，開創瞭核裂變的鏈式反應的理論，解決瞭利用裂變釋放核能的技術原理。基於對所有核素質量的系統測量，總結出輕核聚變後釋放大量能量的原理。利用核裂變釋放的能量“點火”，克服輕核間的電磁庫侖勢壘，使輕核聚到一起引起核聚變，這方面的物理原理也迎刃而解。1942年，E.費米建立瞭第一個鏈式裂變反應堆。這是人類掌握核能源的開端。核物理的發展，不斷地為核能裝置的設計提供日益精確的模型和數據，為提高核能利用的效率和經濟指標，以及為更大規模的核能利用準備條件。
人工制備各種同位素的技術和應用是核物理衍生出的一項重要技術，已廣泛應用到理工農醫各個部門。核磁共振、穆斯堡爾譜學、晶體的溝道效應和阻塞效應，以及擾動角關聯技術等都是迅速得到廣泛應用的新的核技術。核技術的應用已成為現代科學技術的標志之一。
核技術是在核物理實驗方法和射線探測技術不斷開拓和發展的推動下而改進和發展的。特別要指出的是，與計算機、數據獲取和處理系統的結合，對核物理實驗技術本身產生深刻的影響，也對核技術的應用產生重大影響。下面簡要列出由核物理發展出來的一些技術應用。
①核能。為核能源的開發提供大量的核數據，提高瞭核能利用的效率和經濟指標，以及探索更有效地利用核能的途徑等。
②同位素的應用。同位素示蹤技術已應用於各個科學技術領域。同位素藥劑已應用於某些疾病的診斷和治療。同位素儀表在各工業部門已用作生產自動監測或質量控制裝置及火災警報裝置等。
③射線輻照的應用。粒子加速器及同位素輻射源已應用於工業的輻照加工、食品的保藏和醫藥的消毒、輻照探傷、輻照育種及放射醫療等方面。為研究輻射與物質相互作用及輻照技術，已經建立瞭輻射物理、輻射化學、輻射生物學等邊緣學科，以及輻照工藝等技術部門。
④中子束的應用。中子束、中子活化技術在物質結構、固體物理學、高分子物理學和大分子生物學等方面廣泛應用，已建立瞭專用的高中子通量的反應堆和散裂中子源來提供強中子束。中子束已應用於輻照、分析、測井及探礦等方面。中子的生物效應是一個重要的方向，快中子治癌已取得一定的療效。
⑤離子束的應用。這是越來越受到註意的一個核技術部門。大量的小加速器是為瞭提供離子束而設計的，離子註入技術是半導體物理學和制備半導體器件的重要手段。離子束已廣泛地應用於材料科學技術和固體物理的置備和精密加工。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。
⑥同位素分析方法。已應用於考古、測定巖石、地層、地球年齡等領域。
核物理和核技術是高新科學技術中極為重要的一個方面，在核武器研制和國民經濟、日常生活中有極大發展潛力。核物理研究不僅是學科自身理論發展需要，而且還受上述應用的推動而快速發展，成為國際競爭十分劇烈的科技領域。
推薦書目
WALECKA J D. Theoretical Nuclear and Subnuclear Physics. Oxford: Oxford University Press, 1995.