원자의 중심에 존재하는 물질. 핵자(核子 ; 양성자 및 중성자)와 중간자(中間子)의 구름으로 이루어져 있다.

핵자뿐 아니라 Λ(람다)입자와 Σ(시그마)입자 등 중입자(重粒子)를 포함하기도 한다.

또 핵자는 쿼크로 되어 있으므로 최근에는 원자핵을 쿼크의 다체계(多體系)로서 연구하는 예도 많다.

양성자의 수를 Z, 중성자의 수를 N, 양성자와 중성자의 수의 합을 A로 표시하며 이 A를 질량수(質量數)라 한다.

질량수 A가 작은 원자핵을 가벼운 핵, 큰 원자핵을 무거운 핵이라 부른다.

양성자수 Z의 원자핵은 Z개의 전자(電子)와 함께 중성(中性)의 원자를 이룬다.

원소의 화학적 성질은 원자내 전자에 의해 결정되므로 양성자수 Z는 원소의 화학적 성질을 결정 한다.

Z가 같고 N이 다른 원자핵을 동위원소(isotope)라 하며 N이 같고 Z가 다른 원자핵을 아이소톤이라 한다.

동위원소의 화학적 성질을 서로 같으며 원소명 X인 원자핵을이라 표시한다.

Z와 N은 생략하는 수가 많다.

를 각각 중양성자(重陽性子 ; 듀트론) · 3중 양성자(트리톤) · 헬리온 · α 입자라 한다.

〔원자핵의 발견〕 1909년 E. 러더퍼드, H. 가이거 및 마스덴은 금박을 비롯하여 여러 가지 금속박에 α 입자를 충돌시켰을 때 α 입자가 입사측(入射側)으로 반사된다는 것을 발견했다.

11년 러더퍼드는 이 현상을 분석하여 원자의 중심에 10^-13cm의 범위를 가진 심(芯)이 존재해야만 한다고 계산했다.

이것이 원자핵 발견의 단서였다.

그 후 32년 이바넹코와 W. 하이젠베르크는 원자핵이 중성자와 양성자로 이루어져 있다고 제창했다.

〔결함에너지〕 원자핵을 분산시키는 데는 많은 에너지가 필요하나. 이 에너지는 원자핵 결합의 정도를 나타내며 결합에너지라 한다.

상대성이론에 의하면 결합에너지는 뿔뿔이 흩어진 핵자의 총질량과 원자핵 질량의 차에서 구할 수 있다.

원자핵의 결합에너지는 대략A에 비례하는데, 한 개의 핵자당 약 800만eV(전자볼트)이다.

한 개당 핵자의 결합에너지가 핵종에 따르지 않는 것을 에너지의 포화성이라 한다.

〔원자핵구조〕 원자핵은 양자적 상태에 있기 때문에 그 에너지는 불연속적인 값을 취한다.

에너지 최저의 상태를 바닥상태, 그 밖의 상태를 들뜬상태라 한다.

각 상태의 스핀 I, 패리티(+ 또는 -), 들뜬상태에서 다른 상태로 옮겨가는 비율, 즉 전이확률(轉移確率) 등을 측정함으로써 원자핵의 구조를 연구한다.

원자핵의 구조는 핵자와 중간자의 성질 및 이것들 사이의 상호작용에서 이해할 수 있는데, 이런 종류의 시도는 A가 4 이하 및 무한대일 때만 성공하며 대개의 경우는 모형을 도입해서 연구하고 있다.

독립입자모형(獨立粒子模型)에서는 핵자가 핵내를 독립적으로 운동하고 있는데 그 상태는 단지 핵 전체에 퍼지는 평균 포텐셜의 작용을 받아 결정되도록 되어 있다.

파울리의 배타원리 때문에 통일한 상태에 두 개 이상의 핵자가 들어갈 수 없으므로 핵자는 에너지가 낮은 상태부터 차례로 하나씩 채워진다.

만약에 이들 상태의 에너지값이 각각 근접한 몇 개씩의 그룹으로 갈라져 즉 껍질구조를 보이고 있으면 핵자가 그룹의 상태 전부에 채워진 핵은 안정적이다.

중성자 · 양성자의 수가 각각 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126인 핵종은 안정적인데 이 수를 마법의 수라 한다.

독립입자모형의 평균 포텐셜에 궤도각운동량과 스핀각운동량의 곱에 비례하는 항(項)을 부가하여 M. G. 마이어와 H. D. 옌젠이 1951년에 마법의 수를 이론적으로 도출해 냈다.

이것을 껍질모형(殼模型)이라 한다.

〔원자핵반응〕 전자보다도 큰 질량을 가진 소립자나 γ선 또는 다른 원자핵을 물질에 충돌시키면 이들 입자 등은 원자내의 원자핵에 충돌한다.

원자내 전자에 방해되지 않을 정도의 에너지를 가진 전자도 마찬가지이다.

이 때의 현상을 원자핵반응 또는 핵반응이라 한다.

예를 들어 ¹⁶O를 표적핵(標的核)으로 하고 여기에 중양성자 d를 충돌시키면 중성자 n이 표적핵에서 떨어져 양성자 p가 날아가는 수가 있다.

이 때의 핵반응을 ¹⁶O(d, p)¹⁷O로 표시한다.

최근에는 원자핵끼리의 층돌이 상세히 연구되고 있는데, 이것을 중(重)이온반응이라 한다.

원자핵반응의 연구는 그 반응이 일어나는 비율이 반응의 종류나 입사 에너지에 따라 어떻게 변하는가를 측정함으로써 이루어진다.

핵반응에는 많은 형(型)이 있다.

충돌 전후의 원자핵의 종류와 그 상태(바닥상태)가 변하지 않을 때를 탄성산란, 이 이외의 경우를 일반적으로 반응(좁은 의미의)이라 한다.

반응 중 위에서 말한 ¹⁶O(d, p)¹⁷O의 반응을 스트리핑, 그 역과정을 픽업이라고 한다.

⁴He(3H, n) ⁶Li은 2핵자이행반응(二核子移行反應)이다.

핵반응 중에는 입사입자가 표적핵 내의 1~2개의 핵자와 충돌하는 것과 표적핵 전체의 상태변화가 따르는 반응이 있다.

전자의 경우를 직접반응이라 하고 후자의 경우는 반응 중에 입사입자와 표적핵이 준정상적(準定常的)인 핵을 형성하여 이 준정상핵의 붕괴라는 형태로 진행하는 반응이 있다.

이 준정상핵을 복합핵, 이 때의 반응을 복합핵반응이라 한다.

복합핵반응은 공명현상으로 진행되는 수가 많다.

이들 어는 경우에도 입사입자와 방출입자는 입사 · 방출 때 원자핵 전체의 작용을 받는다.

이 작용은 복소포텐셜, 즉 광학(光學)포텐셜로 표시 할 수 있다.

중이온반응은 원자핵의 고에너지 상태와 질량수가 큰 핵종을 연구하는 새로운 영역이다.