miniatura|Model d'un nucli atòmic amb els protons en vermell i els neutrons en blau El nucli atòmic és la part central de l'àtom que conté la major part de la matèria que el forma però que, tanmateix, n'ocupa un volum relativament molt petit. Està format per barions, concretament per protons i neutrons, en nombre variable, però sempre més neutrons que protons. En són una excepció el nucli de l'hidrogen ordinari (format per un únic protó) i els dels àtoms més lleugers, en què el nombre de protons i el de neutrons sol ser igual. El nombre de protons s'anomena nombre atòmic i és el paràmetre que determina a quin element químic correspon l'àtom. El nombre de neutrons d'àtoms del mateix element pot ser variable: els nuclis amb el mateix nombre atòmic, però diferent nombre de neutrons, s'anomenen isòtops.
La força que manté units els barions que formen el nucli atòmic, els quals s'anomenen nucleons, és la força nuclear forta.
Alguns àtoms es descomponen espontàniament mitjançant processos radioactius que consisteixen en l'emissió d'electrons (rajos beta) o nuclis d'heli (rajos alfa) altament energètics. Alguns nuclis són extremadament estables, en canvi d'altres es descomponen molt ràpidament. L'estabilitat d'un nucli atòmic depèn del nombre total de nucleons (els elements de nombre atòmic superior al del plom són tots radioactius i el plom i els que tenen un nombre atòmic inferior no ho solen ser) i també de la proporció entre el nombre de protons i neutrons: per això en un mateix element, diferents isòtops poden tenir una vida mitjana diferent.
Història miniatura|Ernest Rutherford el 1908 A principis del 1896, el físic francès Henry Becquerel (1852–1908) descobrí casualment la radioactivitat quan realitzava estudis de fosforescència amb mostres de minerals d'urani, data que se considera la del naixement de la Física Nuclear. Tot seguit altres científics, entre els quals destaquen la física polonesa Marie Curie (1867–1934) i el seu marit, el físic francès Pierre Curie (1859–1906), iniciaren la investigació de la naturalesa de la radioactivitat la qual cosa conduí a l'estudi de l'estructura del nucli atòmic, encara no descobert en aquells anys. El neozelandès Ernest Rutherford (1871-1937) demostrà que la radiació emesa per les substàncies radioactives correspon a tres tipus diferents, raigs alfa, beta i gamma, que després s'identificaren com a nuclis d'heli els raigs alfa, electrons els beta i fotons d'alta energia els gamma.
El 1911 Rutherford, el físic alemany Hans Geiger (1882–1945) i el físic britànic Ernest Marsden (1889–1979) realitzaren l'experiment de la làmina d'or, en el qual dispersaven partícules alfa contra nuclis d'or i altres metalls pesants. Aquests experiments posaren de manifest existeix una zona central de l'àtom, que Rutherford anomenà nucli, que conté tota la càrrega positiva, quasi tota la massa i que té un volum extremadament petit al comparar-lo amb el volum de l'àtom. El 1929 el físic rus George Gamow (1904–1968) proposà tractar el nucli com una gota de líquid.
El 1930 els físics britànics John Cockroft (1897–1967) i Ernest Walton (1903–1995), sota la direcció de Rutherford, realitzaren les primeres reaccions nuclears emprant nuclis accelerats mitjançant un camp elèctric. El 1932 el físic britànic James Chadwick (1891–1974) descobrí el neutró. Carl Friedrich von Weizsäcker (1912–2007) el 1935, seguint la proposta de Gamow d'interpretar el nucli com una gota de líquid, i incorporant la hipòtesi protó–neutró del nucli del físic alemany Werner Heisenberg (1901–1976) i del físic rus Dmitri IvanenkoIwanenko, D.D., The neutron hypothesis, Nature 129 (1932) 798. i el treball del físic italià Ettore Majorana (1906–1938) sobre les forces nuclears, elaborà un model complet de nucli. miniatura|Maria Göppert-Mayer El 1934 es descobrí la radioactivitat artificial per part dels físics francesos Irène (1897–1956) i Frédéric Joliot-Curie (1900–1958). El 1938 es realitzà el descobriment de la fissió nuclear per la física austrohongaresa Leise Meitner (1878–1968) i els químics alemanys Otto Hahn (1879–1968) i Fritz Strassmann (1902–1980). El 1939 Niels Bohr (1885–1962) i John Archibald Wheeler (1911–2008) desenvoluparen el model de la gota de líquid per explicar la fissió nuclear descoberta només sis mesos abans.
El 1942 es desenvolupà el primer reactor de fissió controlat pel físic italià Enrico Fermi (1901–1954) i col·laboradors. El 1949 es desenvolupà el model de capes del nucli de forma independent per diferents científics, destacant Eugene Paul Wigner, Maria Göppert-Mayer i J. Hans D. Jensen.
En descobrir-se que els nuclis estaven formats per protons sorgí el problema de la seva estabilitat, ja que no era possible que els protons es mantenguessin units degut a l'acció de repulsió de la força de Coulomb entre càrregues del mateix signe. La solució es trobà en identificar una nova força fonamental, la força forta, que només actua a curtes distàncies, inferiors a 10–14 m, i que atreu els protons entre ells. Actualment s'explica amb la teoria anomenada cromodinàmica quàntica, proposada al començament dels anys 1970 pels físics estatunidencs David Politzer (1949), Frank Wilczek (1951) i David Gross (1941).
Propietats miniatura|Els protons estan constituïts per tres quarks (uud) i el neutró també per tres quarks, però diferents (udd)
Nucleons Tots els nuclis dels àtoms estan constituïts per dos tipus de partícules: protons i neutrons, anomenats genèricament nucleons. Només l'hidrogen està constituït per un únic protó. Així el nucli atòmic es descriu amb els nombres: Nombre atòmic, , que és igual al nombre de protons. Nombre de neutrons, . Nombre màssic, , que és igual al nombre total de nucleons, protons més neutrons. miniatura|Isòtops amb la seva vida mitjana Els nuclis se simbolitzen mitjançant el símbol , on representa el símbol de l'element químic, i i els nombres màssic i atòmic, respectivament. Així un nucli que se simbolitzi com _{26}^{56}Fe indica que l'element és el ferro i que al nucli hi ha 26 protons i 56 nucleons, d'on es pot deduir el nombre de neutrons:
Els nuclis de tots els àtoms d'un mateix element químic tenen el mateix nombre de protons o, el que és equivalent, el mateix nombre atòmic , però freqüentment contenen quantitats diferents de neutrons. Aquests tipus de nuclis s'anomenen isòtops. Els isòtops tenen el mateix nombre atòmic , però diferent nombre màssic perquè tenen diferent nombre de neutrons. Per exemple el carboni té quatre isòtops naturals: _6^{11}C, \, _6^{12}C, \, _6^{13}C, \, _6^{14}C, que es presenten en diferents proporcions, essent majoritari el carboni-12 (98,9 %). Tots aquests isòtops tenen el mateix nombre atòmic, 6, però nombres màssics diferents: 11, 12, 13 i 14, perquè tenen diferent nombre de neutrons: 5, 6, 7 i 8, respectivament.
Els nuclis atòmics que tenen el mateix nombre màssic, però amb diferents proporcions de protons i neutrons, s'anomenen isòbars, com ara _6^{14}C i _7^{14}N, ambdós amb . Els que tenen el mateix nombre de neutrons són dits isòtons. És el cas de _6^{13}C i _7^{14}N, on ambdós tenen 7 neutrons, que s'obtenen restant . S'anomenen nuclis mirall els nuclis en els quals el nombre de neutrons de l'un és igual al de protons de l'altre, com en el cas de _6^{13}C que té 6 protons i 7 neutrons i el _7^{13}N que té 7 protons i 6 neutrons. El seu estudi ha permès l'obtenció de dades sobre la magnitud de les forces nuclears i de repulsió electroestàtica que tenen lloc a escala nuclear.
Càrrega i massa El protó té una càrrega elèctrica positiva, igual a la càrrega elemental , mentre que el neutró és elèctricament neutre, per la qual cosa la càrrega nuclear es correspon a la suma de les càrregues de tots els protons, o bé al producte del nombre atòmic per la càrrega elemental : . Els nuclis naturals tenen valors des de de l'hidrogen _1^{1}H fins a de l'urani _{92}^{238}U.
Les masses del protó i del neutró són, respectivament, 1,672 62·10–27 kg i 1,674 93·10–27 kg. Sembla que la massa del nucli hauria de ser la suma de les masses dels protons i dels neutrons, però pels nuclis estables sempre és inferior. Aquesta diferència, anomenada defecte de massa, és una quantitat que s'ha perdut en formar-se el nucli i que es correspon a l'energia de lligadura dels nucleons. Es pot calcular aquesta energia a partir de l'equació d'Einstein que relaciona la massa amb l'energia: . La massa d'un nucli, en unitats relatives de massa atòmica, sempre és propera al valor del nombre màssic, , i van de 1,0078 per a l'hidrogen _1^{1}H a 238,05 de l'urani .
Dimensions i forma miniatura|Comparació de les dimensions del nucli i l'àtom d'heli Ernest Rutherford arribà a la conclusió de que la càrrega positiva d'un àtom està concentrada en una petita esfera, que anomenà nucli, i el qual radi no és superior a aproximadament 10–14 m, o 10 fm. Per una altra banda, a principis dels anys 1920 se sabia que el nucli d'un àtom contenia protons i tenia una massa equivalent a la d' protons, complint-se que per a àtoms lleugers (amb ) és i per a àtoms més pesants . Per això, el 1920, Rutherford proposà l'existència dels neutrons, els quals foren descoberts el 1932 per Chadwick.
Els experiments realitzats demostren que el nucli és aproximadament esfèric amb un radi mitjà que ve donat per la fórmula:
miniatura|El·lipsoideon és el nombre màssic i és un valor que decreix de pels nuclis més lleugers, fins a per a la resta de nuclis. Com que el volum d'una esfera és proporcional al cub del seu radi, resulta d'aquesta equació anterior que el volum d'un nucli atòmic és proporcional al nombre màssic , i val:
miniatura|Moment angular d'una partícula de massa que descriu una trajectòria circular de radi amb velocitat La densitat es pot deduir de forma aproximada suposant que protons i neutrons tenen la mateixa massa i negligint el petit defecte de massa, donant 2,3·1017 kg/m³, una densitat molt elevada, unes 2,3·10¹⁴ vegades superior a la de l'aigua líquida.
El moment quadrupolar elèctric, , d'una distribució de càrrega elèctrica respecte d'una direcció donada indica la deformació respecte d'una esfera perfecta d'un nucli. Els nuclis que tenen moment angular 0 o 1/2 tenen , la qual cosa significa que són esfèrics. Tanmateix hi ha nuclis que tenen moments quadrupolars elèctrics molt diferents de zero, com són o . Aquests valors indiquen que presenten importants deformacions i tenen forma d'el·lipsoides més que d'esferes.
Moment angular El moment angular, , és una magnitud vectorial pròpia dels cossos en moviment curvilini que s'obté com a producte vectorial del radi de la trajectòria, , pel moment lineal . En els nuclis atòmics hi ha nucleons que giren sobre ells mateixos i es mouen dintre del nucli, per la qual cosa també el nucli té un moment angular, anomenat espín nuclear. L'espín nuclear se simbolitza per , i s'obté combinant de forma apropiada els moments angulars orbitals (rotació dels nucleons al voltant del centre del nucli) i els espins dels nucleons (rotació sobre ells mateixos). miniatura|Moment magnèticL'espín nuclear s'identifica amb un número quàntic , de manera que el mòdul de dit espín val . Segons el principi d'incertesa de Heisenberg l'espín nuclear és inobservable, però sí ho és la seva component segons una direcció determinada, que ve donada per , on , segons sigui semienter o enter. D'aquí es pot deduir que hi ha orientacions possibles de l'espín nuclear. Els espins dels nucleons, com el de l'electró estan quantitzats i valen 1/2. Per aquest fet els nuclis amb nombre màssic imparell tenen espins nuclears fraccionaris. Per exemple: . Per contra els nuclis amb nombre màssic parell el tenen zero o un nombre sencer fins a 7. Exemples: .
Moment magnètic nuclear miniatura|Precessió de Larmor