簡介
原子核(atomic nucleus)位於原子的核心部分,占了99.96%以上原子的質量,與周圍圍繞的電子組成原子。原子核由質子和中子構成。而質子又是由兩個上夸克和一個下夸克組成,中子是則由兩個下夸克和一個上夸克組成。原子核極小,它的直徑在10 至10 公分之間,體積只占原子體積的幾千億分之一,如果將原子比作地球,那么原子核相當於棒球場大小,而核內的夸克及電子只相當於棒球大小。原子核的密度極大,約為10 克/立方公分,原子核內有核殼層結構,稱為幻核。
構成原子核的質子和中子之間存在介子,以傳遞原子核內巨大的吸引力-強力,強力比電磁力強137倍,故能克服質子之間所帶正電荷的電磁斥力而結合成原子核。原子核的能量極大,當原子核發生裂變(重原子核分裂為兩個或更多的核)或聚變(輕原子核相遇時結合成為重核)時,會釋放出巨大的原子核能,即原子能(例如核能發電)。質子和中子及介子由價夸克(組分夸克)及誨夸克(流夸克)組成,夸克亦有層層(殼)結構,外層為橫向連線的價夸克,內層為縱向疊加的誨夸克,而外層為3個橫向連線的束縛態價夸克。價夸克按比例(2個上型夸克帯+2/3電荷,1個下型夸克帯-1/3電荷)分掉質子(或3夸克超子)內的整數電荷,故夸克帶分數電荷。縱向疊加的誨夸克正負電荷相抵=零,原子內帶正電荷的質子與帶負電荷的電子數量相同,故整個原子呈電中性。
本質
1912年英國科學家盧瑟福根據α粒子轟擊金箔的實驗中，絕大多數α粒子仍沿原方向前進，少數α粒子由於撞擊到了電子發生較大偏轉，個別α粒子偏轉超過了90°，有的α粒子由於撞上原子核所以偏轉方向甚至接近180°。該試驗事實確認了：原子內含有一個體積小而質量大的帶正電的中心，這就是原子核模型的來歷。
相互作用
圖為氦原子的原子及其原子核構想圖 核子之間的核力，是一種比電磁作用大得多的相互作用。原子半徑很小，質子間庫侖斥力很大，但原子核卻很穩定。所以原子核里質子間的除了庫侖斥力外還有核力。只有在2.0×10 m的短距離內才能起到作用。
質子和質子之間、質子和中子之間、中子和中子之間都存在。
電荷
盧瑟福實驗
α粒子散射實驗 盧瑟福用一束α射線轟擊金屬薄膜，發現有少部分α粒子大角度改變運動方向，並在此基礎上提出了行星式原子結構模型：原子中存在一個帶正電的核心，即原子核。
盧瑟福從1909年起做了著名的α粒子散射實驗，實驗的目的是想證實湯姆孫原子模型的正確性，實驗結果卻成了否定湯姆遜原子模型的有力證據。在此基礎上，盧瑟福提出了原子核式結構模型。
為了要考察原子內部的結構，必須尋找一種能射到原子內部的試探粒子，這種粒子就是從天然放射性物質中放射出的α粒子。盧瑟福和他的助手用α粒子轟擊金箔來進行實驗，如圖是這個實驗裝置的示意圖。
在一個鉛盒裡放有少量的放射性元素釙（Po），它發出的α射線從鉛盒的小孔射出，形成一束很細的射線射到金箔上。當α粒子穿過金箔後，射到螢光屏上產生一個個的閃光點，這些閃光點可用顯微鏡來觀察。為了避免α粒子和空氣中的原子碰撞而影響實驗結果，整個裝置放在一個抽成真空的容器內，帶有螢光屏的顯微鏡能夠圍繞金箔在一個圓周上移動。
實驗結論
原子是電中性的，核帶有的正電荷等於核外電子的總負電荷。對原子序數為 Z的原子，核帶正電+ Z e。核的電荷數是一個嚴格的整數，它等於核內的質子數。質子帶正電+ e，與電子的電量相等。
理論進展
研究歷程
核物理研究一開始，就面臨著一個重要的問題，這就是核子間相互作用的性質。人們注意到，大多數原子核是穩定的，而通過對不穩定原子核的γ衰變、β衰變和α衰變的研究發現，原子核的核子之間必然存在著比電磁作用強得多的短程、且具有飽和性的吸引力。此外，大量實驗還證明，質子-質子、質子-中子、中子-中子之間的相互作用，除了電磁力不同外，其它完全相同，這就是核力的電荷無關性。1935年，湯川秀樹（YukawaHideki 1907～1981）提出，核子間相互作用是通過交換一種沒有質量的介子實現的。1947年，π介子被發現，其性質恰好符合湯川的理論預言。
介子交換理論認為，單個π介子交換產生核子間的長程吸引作用（≥3×10 cm），雙π介子交換產生飽和中程吸引作用[（1～3）×10 cm]，而ρ、ω分子交換產生短程排斥作用（50MeV時，純核子自由度的計算與實驗結果的偏離明顯地加大，只有考慮了π介子自由度以後，才與實驗結果一致。這一實驗不僅證明了核內π介子的存在，而且還說明了在通常的低能核物理中，分子的自由度不能表現出來。另一個證明π介子自由度的是利用電子散射對 He形狀因子的研究實驗。實驗結果表明，在電子與核的動量轉移過程中，越接近核中心區域，動量交換值越大，核中心區域是高動量轉移區，核的邊緣為低動量轉移區，而只有在低動量轉移區，純核子自由度理論才與實驗結果符合，在高動量轉移的中心區，必須計入π介子及Δ自由度的影響，才能與實驗符合。這個實驗不僅證明了核內π介子自由度的存在，而且進一步指出，在原子核的中心區域，非核子自由度問題的重要性更為突出。
夸克自由度
從40年代末到50年代初，隨著世界上各大型加速器的投入運行，粒子物理逐漸從核物理中分化了出來。上世紀60年代以後，粒子物理取得了一系列令人矚目的進展。例如，在70年代初，格拉肖、薩拉姆和溫伯格將弱、電相互作用統一在 SU（2）× U（1）對稱群的規範理論之中，並從多方面得到了實驗上的直接和間接的證實。粒子物理的另一個著名成就是夸克模型和量子色動力學的建立。根據微觀世界中的對稱性，不僅可以對強子進行分類，而且還對強子內部結構的認識提供了有效的途徑。低能強子按 SU（3）對稱群分類，這些強子的基本構件，也是SU（3）對稱群的基礎就是夸克，包括u夸克、d夸克和s夸克。為使強子滿足自然界普遍遵守的自旋與統計性關係，每種夸克還有3種不同的色，色相互作用是強相互作用的起源，而傳遞色相互作用的8個媒介子就稱為膠子。實質上，強相互作用理論即為SU（3）色對稱群的規範理論，稱為量子色動力學（QCD）。根據夸克模型，原子核的核子應由3個價夸克以及稱為海夸克的虛誇克-反夸克對膠子組成，而傳遞核子相互作用的介子應由價夸克、價反夸克和海夸克、膠子組成。這種物質結構的新觀點啟發人們思索，核內的核子處於核的“環境”之中，它們到底與自由核子有什麼區別？核“環境”對核子有什麼影響？核內的夸克和膠子的分布如何？它們都參與什麼作用？……這一系列問題都將與核內夸克自由度等的非核子自由度有關，這些問題已成為當今核物理髮展的關鍵。
還不能嚴格地用量子色動力學描述原子核這樣的多夸克系統，考慮到可能存在夸克自由度，有人提出了一個更為大膽的簡化核模型。這一模型從夸克和它們之間的相互作用力出發，採用類似傳統的獨立粒子殼層模型的方法來解釋原子核的各種性質。在考慮夸克間相互作用時，這一模型假定存在有“對力”，而不考慮夸克的禁閉性質。根據這一模型，夸克的色自由度使每個殼層上容許的夸克數恰好與傳統殼層模型每個殼層上的核子數相同，這使人們想到，在原子核內的夸克存在有自由度，它們可能不像在自由核子中那樣禁閉，那么原子核內的夸克究竟有多大的幾率跑出核內的核子之外？原子核內的夸克自由度能否表現出來？在對這些關鍵問題的研究中，核物理與粒子物理兩大學科又重新走到一起，而趨於匯合之中。
EMC效應
傳統的原子核的質子-中子模型在描述低能核現象時都十分成功，這表明，要發現核內的夸克效應或其它非核子自由度應該到高能核現象中去尋找。此外，根據標準模型預言，原子核是由若干核子、介子組合的集合系統，而核子、介子又都是通過膠子相互作用的夸克系統，核子在核內不停地運動，又會由於核子間的重疊形成夸克集團，這樣一來，核核心子的性質，如大小、質量等，一定與自由核子不同，例如會稍微膨脹而變“胖”和有效質量變小等。此外，禁閉在核核心子中的夸克密度分布也會與自由核子的不同。這些都是由於夸克自由度帶來的影響，稱之為夸克效應。
尋求核內夸克效應的最直接和有效的方法就是用“探針”探測。這種“探針”就是能量極高的入射粒子。入射粒子的能量越高，它的德市洛意波長越短，分辨核內微小尺度的能力越強。此外，最好採用電子和μ子等非強子作探針，以避免強相互作用干擾，因為對強相互作用的了解不如電磁相互作用那樣清楚。對於實驗的結果，有人預計，當用能量高達幾個京電子伏的高能輕子打入核內時，它們與核內夸克相互作用而散射，通過對散射粒子的能量、動量和散射角分布的測量，探知核內夸克的動量分布，即核子的結構函式。而另一些人則認為，原子核只是一個質子-中子構成的弱束縛體系，對於高達幾個京電子伏的高能過程，這種弱的束縛不會起什麼作用，核的“環境”影響不能顯示出來，在自由核子靶上以及在原子核核心子靶上，測量這種結構常數不會顯示什麼差異。然而實驗的結果，卻大大出乎後一些人的預料。
1982年，在歐洲粒子物理研究中心，由來自17個國家和地區的89位高能物理學家，組成了歐洲μ子實驗合作組（EMC組），進行了帶電輕子深度非彈性散射實驗。他們使用的高能輕子為電子、μ子和中微子，輕子與核子間傳遞的能量高達幾個到幾十個GeV，這一實驗結果發表在《物理通訊》雜誌上。實驗得到了鐵原子核結構函式與氘核結構函式的比值，發現這一比值是夸克動量與核子平均動量比值 x的函式，當x在一定的範圍（布約肯區）內時，這個比值為0.05～0.8，且呈一定規律隨x變化。這個結果很重要，因為如果認為核內的核子仍保持自由核子的性質，這個比值應為1，比值偏離1的實驗結果表明，原子核內的核子包含了較多的低能夸克。儘管核子在核內的束縛很弱，周圍核物質的存在依然明顯地影響到束縛在核內夸克的動量分布。面對這一實驗事實，人們不得不改變原來的看法，這一結果由此得名為“EMC效應”。隨後，EMC效應陸續被美國斯坦福直線加速器、德國的電子同步加速器及世界上其它幾個大加速器的實驗證實。
EMC效應的發現引起了世界性的轟動，這不是偶然的。它像科學史上許多其它重要發現一樣，不是“先驗的理論”，而是實驗事實強迫人們去接受一種新的觀念，這就是原子核核心子的亞結構與一般自由核子的亞結構有明顯的不同。這裡值得提起一個反面的例子，如果人們不是被一些“先驗的理論”所束縛，本該更提早十幾年發現EMC效應。在70年代初，在斯坦福直線加速器實驗室（SLAC）就有一個用高能電子測量核子結構函式的研究組。他們以液氫與液氘為靶，得到了核中質子和中子的結構函式。因為用來盛液氫、液氘的容器是鋼和鋁的，為消除本底的影響，他們又進行了容器的空靶測量，這樣就掌握了鋼和鋁靶的結構函式，卻不曾想到與自由核子的結果相比較。EMC效應的結果發表以後，他們把十幾年前依然保存完好的數據重新計算分析，他們自己戲稱這是“做了一次‘考古學’的研究”。其結果確實充滿戲劇性，兩次研究一前一後時隔十幾年，對不同的探測粒子、不同能區做了測量，竟然得出完全一致的結果。這一事實不僅再一次令人信服地證實了EMC效應的存在，還使人們冷靜地看到，SLAC小組先於十幾年得到實驗的全部數據，卻未能成為EMC效應的發現人，這不能不說明，對於那些已被廣泛接受卻未經實驗事實證實的“先驗理論”，確有必要重新檢驗。1988年，EMC組又在極小的布約肯區（0.003≤ x≤0.2）對不同的核（ C、 Ca、 Cu、 Fe、 Sn）進行了測量。結果發現，在0≤ x
