原子核是比原子更深一个层次的物质结构。原子核物理学是研究原子核的性质，它的内部结构、内部运动、内部激发状态、衰变过程、裂变过程以及它们之间的反应过程的学科。
卢瑟福（Ernest？Rutherford）（1871—1937）是一位成绩卓著的实验物理学家，是原子核物理学的开创者。他因在揭示原子奥秘方面做出的卓越贡献获1908年度的诺贝尔化学奖。
少年时的卢瑟福是个很爱动脑筋的孩子，尤其喜欢自己动手做些小玩意。有一次，家里的大钟坏了，卢瑟福便动手把钟拆开来，他的兄弟姐妹都认为一定会受到父母的责罚，但卢瑟福竟把钟修好了，而且以后还走得很准。后来，他还自制了一架照相机，自己拍摄，自己冲洗，成了个摄影迷。
24岁时，卢瑟福获得一笔奖学金，来到英国剑桥大学卡文迪什实验室进行深造。从此，他开始了在英国的科学研究生活。37岁那年，由于他对于放射性现象研究的杰出成就，他获得了诺贝尔化学奖。但他并没有满足，决心对原子进行更深入的探索。
早在古希腊时代，就有人提出，自然界天地万物是由原子构成的。长期以来，人们一直认为原子是物质最小的单位，是不可分割的，它的形状像个实心小球。而此时随着科学的发展，一些科学家认识到原子内部还有着更小的单位，卢瑟福的老师汤姆逊就持这一种观点。他们认为，原子的模样像西瓜，瓜瓣就像是原子内均匀分布的正电荷，而瓜子就是电子。“原子果真像老师所说的那样吗？“卢瑟福想通过实验来探究一下自己一直思索的这个问题。
他想，如果原子果真像个西瓜，那么，如果用比原子更小的粒子作“炮弹”来轰击它，就一定很容易地穿过它而笔直地前进。于是，他决定用一种叫做α的粒子做“炮弹”，来轰击原子，看看会发生什么情况。
然而，要做这个实验并不是一件容易的事。除了要设计一套专门仪器外，实验本身就像是用机关枪扫射几个散落在茫茫草原中的小核桃一样的困难。
在年轻的助手和几个学生帮助下，卢瑟福终于设计出了一个试验装置：一个“α”射线的放射源，就像一挺机关枪，一个金属箔作靶子，就像放核桃的草地，在它的旁边放一个硫化锌的荧光屏，屏后安装一架显微镜，来观察实验的情况。
实验开始了，发射源发射出的α粒子“炮弹”，以每秒2000米的速度穿过金属箔，在漆黑的实验室里，荧光屏上出现了点点闪光。
“这是怎么回事呢？”学生们问道。
“这说明绝大多数α粒子穿过金属靶子飞走了，只有个别α粒子被弹了回来。”卢瑟福说。
可这意味着什么呢？卢瑟福陷入了沉思。
实验使卢瑟福感到惊叹，他开始了连续不停的实验和思考，像着了魔一样整日整夜地呆在实验室里。管理实验大楼的工友搞不清他是否离开过，他的妻子儿女也难得见他一面。一天清晨，卢瑟福兴冲冲地冲进了办公室，对着正在整理东西的助手大声地说道：？“我知道了，我知道了。原子到底是什么样子我知道了。”略一停顿，他又说：“它大致可以设想为一个小的太阳系。”助手怔怔地看着他，耸了耸肩说：“什么？您是说我们在一个看不见的世界里当了普罗米修斯吗？——普罗米修斯是希腊神话中为人类送来火种的神。“是的，就像是太阳系。”卢瑟福继续解释到，“原子既不是像小实心球，也不像西瓜，它的中心有个小的、带阳电的核，而带阴电的电子在围绕着这个核飞转。这就如同原子核是太阳，电子就像行星，绕着太阳转。。。。。。”
“那么，α粒子被弹回来的现象怎么解释呢？”助手问他。“这是因为原子内部大部分是空隙，所以比原子更小的粒子能很容易穿过；又因为当中有个核，α粒子碰上这个坚硬的核就会被弹了回来。
卢瑟福终于打开了原子神秘之宫的大门！他的这一崭新的原子结构理论，具有划时代的意义。从此，原子学和原子核物理学便诞生并发展起来。
1919年，卢瑟福用人为的方法第一次分裂了原子，他用α粒子轰击氮原子，使它变成了一个氧原子和一个氢原子。1926年，在他的指导下，两个年轻研究人员瓦耳顺和科克拉夫特设计出了一架巨型原子捣碎机，用这架仪器，他们把轻金属锂转变为氦。1933年，62岁的卢瑟福仍在不知疲倦地进行着研究工作。就在这一年，他又发现和命名了质子——氢原子核，并预言核内存在着中子。
由于他卓越的成就和影响，多种荣誉和奖赏不断向他涌来。英国皇家学会授予他最高奖章——科柏莱奖章。几十所大学和科学团体争相授予他荣誉学位和学籍。在巨大的荣誉面前，卢瑟福仍然保持着谦虚的态度，从不夸耀自己的成绩。1937年10月，卢瑟福由于长期紧张地工作，积劳成疾，在英国剑桥医院与世长辞。
为纪念这位杰出的科学家，英国皇家学会在一所实验室门前，为他雕塑了一座半身铜像。每年都有很多人来到他的墓碑前，向这位揭开原子秘密的先驱者表示深深的怀念与敬意。
附：原子核被发现以后，曾经以为原子核是由质子和电子组成的。1932年，英国科学家查德威克发现了中子，这才使人们认识到原子核可能具有更复杂的结构。
质子和中子统称为核子，中子不带电，质子带正电荷，因此质子间存在着静电排斥力。万有引力虽然使各核子相互吸引，但在两个质子之间的静电排斥力比它们之间的万有引力要大万亿亿倍以上。所以，一定存在第三种基本相互作用——强相互作用力。人们将核子结合成为原子核的力称为核力，核力来源于强相互作用。从原子核的大小以及核子和核子碰撞时的截面估计，核力的有效作用距离力程约为一千万亿分之一米。
1935年，汤川秀树（Hideki？Yukawa）为解释核子之间的强作用短程力，基于同电磁作用的对比，提出这种力是由质子和（或）中子之间交换一种具有质量的基本粒子——介子引起的。1936年，安德森和尼德迈耶在实验上确认了一种新粒子，其质量是电子质量的207倍，这就是后来被称为μ子的粒子。μ子是不稳定的粒子，它衰变成电子、一个中微子和一个反中微子，平均寿命为百万分之二秒。汤川秀树最初提出的介子的电荷是正的或负的。1938年，凯默基于实验上发现的核力的电荷无关性的事实，发展了稍早些时候出现的同位旋的概念，建立了核力的对称性理论。
1947年，孔韦尔西等人用计数器统计方法发现μ子并没有强作用。1947年鲍威尔（C。F。Powell）等人在宇宙线中利用核乳胶的方法发现了真正具有强相互作用的介子，其后，在加速器上也证实了这种介子的存在。
从此以后人类认识到的基本粒子的数目越来越多。就在1947年，罗彻斯特和巴特勒（C。Butler）在宇宙线实验中发现v粒子（即K介子），这就是后来被称为奇异粒子的一系列新粒子发现的开始。由于它们独特的性质，一种新的量子数——奇异数的概念被引进到粒子物理中。在这些奇异粒子中，有质量比质子轻的奇异介子，有质量比质子重的各种超子。在地球上的通常条件下，它们并不存在，在当时的情况下，只有借助从太空飞来的高能量宇宙线才能产生。
这些发现了的基本粒子，加上理论上预言其存在但尚未得到实验证实的引力场量子——引力子，按相互作用的性质，可分成引力子、光子、轻子和强子四类。为了克服宇宙线流太弱这个限制，从20世纪50年代初开始建造能量越来越高、流强越来越大的粒子加速器。实验上也相继出现了新的强有力的探测手段，如大型气泡室、火花室、多丝正比室等，开始了新粒子的大发现时期。
20世纪40年代到60年代，对微观世界理性认识的最大进展是量子力学的建立。经过一代物理学家的努力，量子力学能很好地解释原子结构、原子光谱的规律性、化学元素的性质、光的吸收及辐射等等现象，特别是当它同狭义相对论结合而建立相对论性量子力学以后，它已经成为微观世界在原子、分子层次上的一个基本理论。但是，量子力学还有几个方面的不足：它不能反映场的粒子性；不能描述粒子的产生和湮没的过程；它有负能量的解，这导致物理概念上的困难。量子场论是由狄拉克（P。A。M。Dirac）、约旦、维格纳（E。P。Wigner）、海森伯（W。Heisenberg）和泡利等人在相对论量子力学的基础上，通过场的量子化的途径发展出来的，它很好地解决了这三个问题。库什（P。Kusch）和弗利1947年发现的电子反常磁矩，和由兰姆（W。E。Lamb）等发现的氢原子能级的分裂，只有通过量子电动力学的重正化理论才能得到正确的解释。今天，量子电动力学已经经受了许多实验上的验证，成为电磁相互作用的基本理论。
并非所有的基本粒子都是“基本”的想法，最早是在1949年由费米（E。Fermi）和杨振宁提出的。他们认为，介子不是基本的，基本的是核子，而介子只是由核子和反核子构成的结合态。1955年，坂田昌一扩充了费米和杨振宁的模型提出了强子是由核子、超子和它们的反粒子构成的模型。1961年，在实验上发现了不少共振态。1964年，已发现的基本粒子（包括共振态）的种类增加到上百种，因而使得盖耳—曼和兹韦克提出，产生对称性的基础就是构成所有强子的构造单元，它们一共有三种，并命名为夸克。
20世纪60年代以来，在宇宙线中、加速器上以及在岩石中，都进行了对夸克的实验找寻，但迄今还没有被确证为成功的报道。在20世纪60年代和70年代，有更多的能量更高、性能更好的加速器建成。虽然在这些加速器上没有找到夸克，但却得到了间接的，但是更有力地说明夸克存在的证据。与强子的数目急剧增加的情况相反，自从1962年利用大型火花室，在实验上证实了两类中微子之后，长时间内已知的轻子就只有四种，但是到了1975年情况有了改变，这一年佩尔（M。L。Perl）等在正负电子对撞实验中发现了一个新的轻子，它带正电或带负电，达质子的两倍，所以又叫重轻子。与它相应，普遍相信应有另一种中微子存在，但是尚未得到实验上的证实。
夸克理论提出不久，就有人认识到强子的强相互作用和弱相互作用的研究应建立在夸克的基础上，同时还要充分考虑强子的结构特性和各种过程中的运动学特点，才能正确地解释强子的寿命、宽度、形状因子、截面等动态性质。1965年，中国发展的强子结构的层子模型，就是这个方向的首批研究之一。层子的命名，是为了强调物质结构的无限层次而作出的。在比强子更深一层次上的层子，就是夸克。近20年来，粒子物理实验和理论发展的主流，一直沿着这个方向，在弱作用方面，已有了突破性的进展，在强作用方面，也有重大的进展。
最早的弱相互作用理论，是费米为了解释中子衰变现象在1934年提出来的。弱相互作用下宇称不守恒的发现，给弱作用理论的研究带来很大的动力。随后不久便确立了描述弱作用的流在洛伦兹变换下应当具有的形式，而且适用于所有的弱作用过程，被称为普适费密型弱相互作用理论。1961年，格拉肖（S。L。Glashow）提出电磁相互作用和弱相互作用的统一理论。这个理论的基础，是杨振宁和密耳斯（RL。Mills）在1954年提出的非阿贝耳规范场论。但是在这个理论里，这些粒子是否具有静止质量，理论上如何重正化等问题，没有得到解答。1967年—1968年，温伯格（S。Weinberg）、萨拉姆（A。Salam）阐明了作为规范场粒子是可以有静止质量的，还算出这些静止质量同弱作用耦合常数以及电磁作用耦合常数的关系。这个理论中很重要的一点是预言弱中性流的存在，而当时实验上并没有观察到弱中性流的现象。由于没有实验的支持，所以当时这个模型并未引起人们的重视。1973年，美国费米实验室和欧洲核子中心在实验上相继发现了弱中性流，之后，人们才开始对此模型重视起来。在1983年，鲁比亚实验组等在高能质子—反质子对撞的实验中发现的特性同理论上期待的完全相符规范粒子，这给予电弱统一理论以极大的支持，从而使它有可能成为弱相互作用的基本理论。
目前，粒子物理已经深入到比强子更深一层次的物质的性质的研究。更高能量加速器的建造，无疑将为粒子物理实验研究提供更有力的手段，有利于产生更多的新粒子，以弄清夸克的种类和轻子的种类，它们的性质，以及它们的可能的内部结构。弱电相互作用统一理论日前取得的成功，特别是弱规范粒子的发现，加强了人们对定域规范场理论作为相互作用的基本理论的信念，也为今后以高能轻子作为探针探讨强子的内部结构、夸克及胶子的性质以及强作用的性质提供了可靠的分析手段。在今后一个时期，强相互作用将是粒子物理研究的一个重点。
把电磁作用、弱作用和强作用统一起来的大统一理论，近年来引起相当大的注意。但即使在最简单的模型中，也包含近20个无量纲的参数。这表明这种理论还包含着大量的现象性的成分，只是一个十分初步的尝试。它还要走相当长的一段路，才能成为一个有效的理论。另外从发展趋势来看，粒子物理学的进展肯定会在宇宙演化的研究中起推进作用，这个方面的研究也将会是一个十分活跃的领域。
原子核主要由强相互作用将核子结合而成，当原子核的结构发生变化或原子核之间发生反应时，要吸收或放出很大的能量。一些很重的原子核（如铀原子核）在吸收一个中子以后，会裂变成为两个较轻的原子核，同时放出二十到三十中子和很大的能量。两个很轻的原子核也能熔合成为一个较重的原子核，同时放出巨大的能量。这种原子核熔合过程叫做聚变。
粒子加速器的发明和裂变反应堆的建成，使人们能够获得大量能量较高的质子、电子、光子、原子核和大量中子。可以用来轰击原子核，系统地开展关于原子核的性质及其运动、转化和相互作用过程的研究。
高能物理研究发现，核子还有内部结构。原子核结构是一个比原子结构更为复杂的研究领域，目前，已有的关于原子核结构，原子核反应和衰变的理论都是模型理论，其中一部分相当成功地反映了原子核的客观规律。
一公斤铀裂变时所释放的能量，相当于约两万吨TNT炸药爆炸时所释放的能量，一公斤重氢原子核聚变所释放的能量还要大几倍。轻原子核聚变为较重的原子核并释放能量的过程，就是太阳几十亿年来的能量来源，也是热核爆炸的能量来源。如果能使重氢的聚变反应有控制地进行，那么能源问题就将得到较彻底的解决。由于放射性同位素所放出的射线能产生各种物理效应、化学效应和生物效应，因此放射性同位素在工业、农业、医学和科学研究中有广泛的应用。