原子的核心部分，簡稱“核”。原子的質量幾乎全部集中在原子核上。對原子核的性質、結構和變化規律的研究是現代物理學的一個重要內容。原子核的性質因其所處的狀態有所不同。下面著重敘述原子核處于基態時的主要屬性。
原子核的組成 目前一般認為原子核由質子和中子組成，質子和中子總稱為
核子。通常，原子核的核子數以
A表示，質子數以
Z表示，中子數以
N表示，
A＝
Z+
N。
在
原子核物理學中，原子核用
表示，X是元素的名稱。例如，氫核記為
，氘核記為
，氦核記為
等等。有時也用更簡單的標記方法，如
或
AX。
Z與
N 都相同的原子核稱為某種核素；
Z相同
N不相同的原子核稱為同位素；
N 相同
Z 不同的原子核稱為同中子素；
A相同而
N及
Z不相同的原子核稱為同量異位素。
A為奇數的核稱為奇
A核，奇
A核又可分為奇中子核與奇質子核。
A為偶數的核可分為偶偶核與奇奇核。迄今所知，只有如
等少數幾個奇奇核是穩定的，其他的奇奇核都是
放射性核。
原子核的質量和結合能 原子核的質量不是諸核子質量的和，還同它們之間的結合能有關。
原子核的質量 人們實際上測量的是原子質量，規定以自然界中碳的豐度最高的同位素
12C質量的
為原子質量單位，并以u標記。1u=1.660565×10
-27kg。其他原子的質量總是接近于這個單位的整數倍數，如
中子
的質量＝1.008665u，
氫原子
的質量＝1.007825u，
鐵原子
的質量＝55.934937u，
鈾原子
的質量＝238.050816u。
原子核的質量應為原子質量減去原子中全部電子的質量(約為核的質量的幾千分之一)以及原子中電子的結合能(自由電子和原子核結合成原子時釋放出的能量，約為原子質量的幾千萬分之一)，在核物理的許多公式中電子質量相互抵消，核質量都可用原子質量代替。
質量虧損和核結合能 實驗測得，原子的質量總是小于組成它的各個自由核子和軌道電子質量的總和。例如氘原子可分為一個中子和一個氫原子，但它們的質量和為
m＝mn+mH＝1.008665u+1.007825u＝2.016490u，
和實驗測得的氘原子質量
mD=2.014102u不相等。二者相差0.002388u。這和質子、中子組成氘核時放出能量有關。這個能量的數值等于把氘核拆成質子和中子所必須花費的最小能量。例如要用能量大于2.224MeV的γ光子同氘核反應，才能使氘分離。通常把這個最小能量叫結合能，用
A標記。
A與上面提到的質量差(即處于自由狀態的氫原子與中子的總質量和氘原子的質量差 Δ
m)的關系符合相對論的質能關系式
E＝(Δ
m)с
2。這里 с是光速。可得出一個原子質量單位(Δ
m＝1u)相當于 931.50MeV。于是，(
m-
mD)с
2＝0.002388×931.50＝2.224MeV，也就是說，中子和質子結合成氘核時釋放了2.224MeV的能量，相當于減少了0.002388u的質量。
推廣到一般核素
，它的核由
Z個質子、
A-
Z個中子組成，核質量為
mX，則
，這個值叫質量虧損。把核的總結合能記為
A，則
。
核子的平均結合能 核的總結合能
A被質量數
A除，稱為該核每個核子的平均結合能，用
ε表示，
ε＝
A/
A。核子平均結合能
ε同質量數
A的關系如圖1所示。表1列出了一些核的
A和
ε的值。
表1
由圖1和表1看出天然元素的平均結合能
ε有如下特點。
①質量數在30以下的輕核的平均結合能隨
A值增加有周期性變化，在
處達到極大值，在核子數為
的倍數時，核的結構比較穩定。總的趨勢是輕核的平均結合能隨
A的增加而增加，特別是由兩個
結合成
，會放出大量的能量。這是利用核聚變獲得核能的依據。
②中等質量數(
A為40～120)的那些核的平均結合能近似相同，數值也大，約在8.6MeV左右，核一般比較穩定。質量數
A更大時，核子的平均結合能逐漸下降，如
238U的平均結合能為7.5MeV。可見，中等質量的核結合得比較緊，很重的核(
A＞200)結合得比較松。一個重核分裂成兩個中等質量的核時，平均結合能由小變大，有核能釋放出來，這是目前獲得核能的重要途徑。
③質量數在30以上的原子核中的核子平均結合能變化不大，原子核的結合能
A差不多同質量數
A成正比，這顯示了核力的飽和性。
原子核的大小 原子中的電子與原子核的相互作用是庫侖力，它是長程力，所以隨著對核的距離的增加，電子分布密度逐漸減小，原子沒有明確的邊界層。和電子不同，核子間相互作用是
核力，是短程力，因此，核有比較明確的邊界層，顯示原子核有一定的大小。
研究原子核大小的最直接的方法，是用高能電子散射測定核內質子數分布(即質子數密度)
ρz(
r)，圖2給出了對幾個球形核實際測定的
ρz(
r)。從圖中可以看出：在核的內部，密度有一些漲落，但可近似地看成常數；在距邊界大約2fm的范圍內，迅速下降到接近零的值。核內的中子數分布(即中子數密度)
ρN(
r) 不可能用電子散射測出。根據其他一些實驗的分析，可以推測核的中子數與質子數分布的均方根半徑之差
大概小于0.02fm，因此可以認為
ρN與
ρz的分布基本相似。
為了使用方便，可忽略彌散的原子核的邊界層，甚至忽略形變，近似地把原子核看成密度均勻，半徑為
R0的球，
R0稱為核電荷分布半徑。取核內部平均核子數密度為
ρ，
R0表示為
有時人們感興趣的不是核物質的分布，而是核力的作用范圍，例如人們在研究快中子被核散射、重離子核反應(見
重離子核物理)或
α衰變時，表示核力作用半徑的
也可以近似地寫成
，
約為1.3～1.4fm(根據研究問題的不同而略有差異)。
原子核的自旋和原子核的磁矩 通常稱一個粒子的自旋為
I，就表明它具有內稟角動量
I
，
為普朗克常數
h與1/2
π的積。例如說電子的自旋為1/2，就是說它的內稟角動量為
/2。自旋是粒子的一種屬性，和它的軌道運動無關。原子核雖然是由中子和質子組成的復合系統，總角動量是質子、中子的自旋角動量與它們的軌道角動量的矢量和，但習慣上仍把核當作一個整體，把它的總角動量稱為自旋
I(角動量
I)。同一原子核處于不同的能級時，自旋可以不同。習慣上把處于基態的自旋稱為核的自旋。由于質子和中子都有磁矩，質子的軌道運動對磁矩也有貢獻，因此自旋不為零的原子核都有核磁矩。核磁矩的單位是核磁子
μN
實驗上可從
原子光譜的超精細結構來確定核的自旋。由于核磁矩與電子產生的磁場的相互作用而引起的能級劈裂，稱為原子能級的超精細結構，可從其譜線數目或相對強度定出核的自旋。也可用其他方法定自旋，特別是短壽命的放射性核素，往往要通過核衰變或核反應來確定核的自旋。實驗測定，所有偶偶核的自旋均為零，奇奇核的自旋是整數，奇
A核的自旋為半整數。也可以通過原子光譜的超精細結構來測定核磁矩，但不如用
核磁共振法測得的精確。一些核素的自旋和磁矩的測定值見表2。利用
核殼層模型，可從理論上計算核自旋和磁矩。自旋的計算結果，一般可與實驗相符；磁矩則差一些。
表2
原子核的形狀和電四極矩 各種原子核具有各種不同的形狀，同一原子核處在不同狀態時，形狀也有差異。一般說來，可分為球形、長橢球、扁橢球等。滿殼核(見
核殼層模型)的基態是球形的。兩個滿殼之間的核的基態一般是偏離球形的，例如稀土元素的核的基態為橢球形的。
16O的基態是球形的，但其某些激發態形狀有所改變。這種對球形的偏離叫作變形，這種核稱變形核。
實驗中可以通過中子或電子散射的角分布來測定核的形狀。因為不同形狀的原子核對散射中子或電子的角分布也不相同，根據理論計算就可以定出原子核的形狀。另外，變形核的形狀對它的電四極躍遷影響很大，因此也可以通過
庫侖激發等方法來確定。
變形核(圖3)的電荷分布偏離球形，這種偏離性常用電多極矩來描述，電多極矩可分為電偶極矩、電四極矩等等。原子核沒有電偶極矩，最重要的是電四極矩。核電四極矩
Q與其電荷分布有下列關系
。
其中
ρz(
r)為質子數分布密度，
e為質子電荷，
z軸取在原子核的對稱軸上。變形核的電四極矩是相當大的。自旋大于1/2的原子核的狀態，均有電四極矩，不過比變形核的電四極矩要小得多。例如，
2H的電四極矩為0.002875×10
-24cm
2，
的電四極矩為8.0×10
-24cm
2。
原子核的電四極矩同原子中的電子發生作用，引起原子光譜的超精細結構。利用原子光譜的這種超精細結構可測定原子核的電四極矩。另外，通過電子、質子散射，重離子的庫侖激發也是測量電四極矩的重要手段。
原子核的同位旋 最初引進
同位旋概念是為了描述核子的兩種不同的電荷狀態(質子態、中子態)，核子的同位旋矢量的第三分量為1/2或－1/2，分別對應這兩種狀態。原子核的同位旋是核內核子同位旋的矢量和， 同位旋量子數用
T表示，同位旋第三分量用
T3表示。
具有
Z個質子、
N個中子的核，
。原子核的總電荷數為
T3+
A/2。在核反應中，系統在反應前與反應后的總電荷守恒，核子數也守恒，因此
T3也守恒。可以證明，在核反應中，同位旋
T也近似守恒。
核子數相同而質子數不同的原子核可能具有相同的同位旋
T(不一定都是基態)，但
T3不同。
T3可取從－
T到
T的 2
T+1個不同的值。這些核組成同位旋多重態。對于兩個核子組成的系統，它們可以形成
T=1和
T=0的兩個態。
T=1的態為同位旋三重態，
T=0的態為同位旋單態。對于六個核子組成的原子核，如
形成
T=1的同位旋三重態，其中
可形成
T＝0的同位旋單態。
對于輕核(
A＜40)，從實驗中觀測到的同位旋多重態的同位旋值一般都比較小，
T≤2，多重態的2
T+1個成分都能觀測到。對于重核，
T值可達25，但大多數情況只觀測到多重態中
T3＝
T，
T-1的成分。
同位旋多重態中相鄰原子核的一些對應的能級具有類似的結構，這些能級稱為同位旋相似態。
原子核的宇稱和統計性 宇稱描述粒子在空間反演下的性質。宇稱和統計性是微觀粒子所具有的特性。原子核的狀態是具有確定的宇稱的。當人們把描述原子核內部運動的波函數進行坐標反演，即
則波函數的符號或者保持不變，或者改變(從正號變為負號)。前者稱為偶宇稱，后者稱為奇宇稱。一個原子核狀態的宇稱的奇偶，可通過核反應或核衰變來確定。同一個原子核的基態和激發態的宇稱可以是不同的。宇稱在
強相互作用(如核力)下是守恒的，在
弱相互作用(如
β衰變)下是不守恒的。
對包含兩個或兩個以上相同的原子核的分子或凝聚態體系，交換一對完全相同的核子數為
A的原子核，
量子力學表明，體系的波函數或者不變(
A為偶數時)，或者變號(
A為奇數時)，前者稱為
玻色子，后者稱為
費密子。所有
A為偶數的核都是玻色子，所有
A為奇數的核都是費密子，因為核子是費密子。
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