原子核是原子中心体积很小、密度很高的区域。它包含质子，除普通氢外，还包含中子，二者统称为核子。原子核所带的正电荷吸引周围的电子，而核子之间的相互作用则将原子核维系在一起。尽管原子核只占原子体积的极小一部分，却集中了原子几乎全部的质量。原子核的组成决定了元素的种类及其同位素形式；原子核的结构与转变是核物理学的核心研究内容。（energy.gov）
发现与历史发展
1909年，汉斯·盖革和欧内斯特·马斯登发现，一些穿过薄金属箔的阿尔法粒子发生了出乎意料的大角度散射。1911年，欧内斯特·卢瑟福提出，原子的正电荷和大部分质量集中在一个极小的中心区域，以此解释这些观测结果。这一解释取代了此前认为正电荷分散在整个原子中的模型。（nobelprize.org）
1932年，詹姆斯·查德威克发现中子，补上了原子核组成中缺失的一环，使人们能够在不假定原子核带有过多正电荷的情况下解释其质量。此后，质子—中子模型取代了早先认为原子核内部含有电子的假说。随着量子力学的发展，原子核结构被确立为一个多粒子量子问题，而不是微缩的经典行星系统。（nobelprize.org）
组成与表示方法
质子数 (Z) 即原子序数，决定了化学元素的种类。中子数记为 (N)，两者之和
[ A=Z+N, ]
称为质量数。一种核素通常写作 ({}^{A}_{Z}X)，其中 (X) 是元素的化学符号。例如，碳-12含有六个质子和六个中子。质量数表示核子的总数，并不是对原子核质量的精确测量。（ocw.mit.edu）
(Z) 相同而 (N) 不同的原子核属于同一元素的不同同位素。这些原子的电子结构所决定的化学性质大体相似，但原子核的稳定性可能差异很大。普通氢的原子核只有一个质子，而氘的原子核含有一个质子和一个中子。中性原子有 (Z) 个电子；失去或获得电子会改变其离子电荷，但不会改变原子核所属的元素种类。（ocw.mit.edu）
尺寸与核力
原子核的尺寸以飞米为单位，(1\ \mathrm{fm}=10^{-15}\ \mathrm{m})。对许多原子核，其有效半径可近似表示为
[ R \approx r_0A^{1/3}, ]
其中 (r_0) 约为 (1.2\ \mathrm{fm})。这一标度关系表明，原子核内部的核子密度大致恒定。原子核并没有明确的硬边界：其密度在表面附近逐渐降低，形状则可能是球形，也可能发生形变。（sibor.physics.tamu.edu）
核力是强相互作用的残余表现。在更深的层次上，核子由夸克组成，夸克通过胶子发生相互作用。在核子之间，核力在较短的核尺度距离内主要表现为吸引力，但在间距极小时则表现为强烈的排斥力。它与带正电的质子之间的电磁斥力相抗衡。核力的作用范围很短，因此每个核子与邻近核子的相互作用最强，这有助于解释核密度和核结合的近似饱和性。（nobelprize.org）
结合能与稳定性
处于束缚态的原子核，其质量小于组成它的各个自由质子和中子的质量之和。根据质能等价，这一质量差对应于原子核的核结合能：
[ B=\left[Zm_p+Nm_n-M_{\mathrm{nucleus}}\right]c^2. ]
其中，(B) 是将原子核完全拆分为自由核子所需的能量，(c) 是光速。（hep.phy.cam.ac.uk）
每核子结合能在轻核中通常随质量数增加而迅速上升，在铁、镍附近达到最高值，随后在更重的原子核中逐渐下降。这些趋势解释了为什么合并适当的轻核或分裂适当的重核能够释放能量。然而，仅凭结合能并不能判断某种衰变是否会发生；可能产生的衰变产物的质量以及跃迁的量子性质同样重要。（hep.phy.cam.ac.uk）
稳定的轻核往往具有相近的质子数和中子数。较重的稳定原子核通常需要中子多于质子，这样既能增加核力吸引，又不会增加质子之间的斥力。配对效应使许多质子数和中子数均为偶数的原子核更为稳定。（ocw.mit.edu）
量子结构与核模型
原子核具有离散的能级和确定的量子性质，包括角动量与宇称。核壳层模型描述了质子和中子在平均核势中占据量子态的情形。泡利不相容原理限制了同类核子填充这些量子态的方式。通常，壳层在核子数为2、8、20、28、50、82和126这些“幻数”时闭合，不过在远离稳定区的原子核中，壳层结构可能发生变化。（sibor.physics.tamu.edu）
与之互补的液滴模型通过体积、表面、电斥力、中子与质子数量不平衡以及配对等项，描述原子核的整体性质。集体模型则解释原子核的转动与振动。这些方法描述的是同一量子系统的不同方面，而不是彼此排斥的物理结构。（ocw.mit.edu）
衰变与核反应
不稳定的原子核会发生放射性衰变。在阿尔法衰变中，原子核以氦核的形式放出两个质子和两个中子。贝塔衰变通过弱相互作用使中子转变为质子，或使质子转变为中子。伽马辐射使原子核的激发能降低，但不改变 (Z) 或 (A)。衰变速率通常用半衰期来表示。（energy.gov）
核裂变将重核分裂为较小的碎片，通常还会释放中子。核聚变则将轻核合并。这些反应与粒子俘获和衰变共同参与核合成过程：核合成在早期宇宙中形成了轻核，并在恒星及其他天体物理环境中继续产生其他元素。（energy.gov）