质子和中子具有大致相同的质量，两者统称为核子，它们又构成了原子核。原子核的密度比水的密度大100多万亿倍。只要原子核中的质子数目相同，所组成原子的化学行为就基本相同。一种元素在化学元素周期表中只占据一个位置。因此，元素是质子数目相同因而化学性质基本相同的一类原子的总称，元素周期表中的原子序数就是它的质子数。
表1-1列出了氢原子和三种经典基本粒子的性质。现代物理学的最新研究表明，质子和中子已不再属基本粒子，它们都是由比它们还小几千倍的“夸克”粒子组成的。
表1-1氢原子和三种基本粒子的性质
电荷质量
SI制（C）原子电荷单位*SI制（kg）原子质量单位（u）**
电子（e）-1.6022×10-19-19.1096×10-310.00055
质子（p）＋1.6022×10-19＋11.6726×10-271.0073
中子（n）01.6749×10-271.0087
氢原子（H）电中性1.673×10-271.008
*原子电荷单位是以一个电子电荷量为1个电荷单位。
**原子质量单位（u）是以12C=12.000000作为标准的相对质量 1u=1.6605×10-27kg
一、原子核稳定存在的原因
原子核集中了整个原子99.9％以上的质量，密度估算可达到每立方厘米1亿多吨！原子中核的周围则空空荡荡，成为质量很轻的电子的跃动空间。
原子核内部是一个非常狭小的空间，这么小的空间中是什么力量使带正电的质子克服彼此间的巨大排斥力，而与质量大致相同的中子聚在一起。
这种力量就是强核力——存在于相邻核子之间的相互作用。它是一种在一万亿分之几毫米的极短距离内（即原子核内最近的核子之间）起作用的短程吸引力。无论质子与中子、质子与质子或中子与中子之间的核力均基本相同，这种特殊力与质子所带的电荷无关。
所以，虽然原子核内所有质子通过电磁力相互排斥，但与此同时，各个相邻的质子之间却通过强核力彼此吸引。与电磁力相比，强核力的作用范围虽小，但作用力却非常强。中子间没有电磁排斥力，却有强核力，从而缓和了质子间排斥力的影响。若原子核内质子多，就需要更多的中子来保持核结构的稳定性。此外，尚有作用范围是强核力的千分之一的弱相互作用——弱核力。表1-2列出了自然界中的四种基本作用力。
表1-2自然界中的四种基本作用力
作用力作用粒子相对强度范围
重力电磁力强核力弱核力所有物质带电粒子中子、质子中子、质子、电子110362×10371029
无限无限10-15米10-18米
当原子核半径超出了一定的界定范围后，所有质子静电排斥力的累积效果就会超出了相邻核子间的核力警戒线，核内便开始发生“动乱”。在元素周期表中，原子序数超过83的原子核大多数不稳定，它们会自动分解或衰变成更小的原子核。例如，第92号元素铀的原子核充满更多的质子，危机四伏，以至于它们无法在自然条件下稳定存在；第94号元素钚是人工制造出来的，正因其不稳定，所以和铀都是提供核动力及制造核武器的燃料。
二、核子结合能
当质子和中子从各个分立的状态彼此靠近时，因相互间强核力的吸引作用而紧密地结合成稳定的原子核时，会释放出巨大的能量，这称为原子核的结合能。由于各种原子核的特性不同，核子聚拢在一起时放出的结合能也不相同。这种差别可用每个核子平均放出的能量来表示，又称比结合能，它直接反映原子核结合的紧密程度或稳定性。
三、了解原子核
原子核的形状大多数接近于球形，或呈扁平椭球状。当分离的中子和质子结合并释放出巨大结合能时，精密的核物理实验发现：原子核的质量比核子（中子与质子）的质量总和要小，这种组成原子核时质量减少的部分，称为质量亏损，这与核结合能的释放相伴。
图1-3中子诱发负核裂变示意图
为了更好地开发和利用核能，人类用智慧敲开了核能利用的大门。例如，用α粒子轰击原子，是20世纪的伟大科技成果之一，接着又用中子作为更有威力的炮弹，这使得人类地结识和揭示原子内部结构的奥秘，并获得了人工放射性元素。首先发现人工放射性是在1934年，约里奥·居里夫妇，用α粒子轰击铝箔时发现了放射性核素—30P，人类进而进入了人工放射性时期。
（一）核能时代的来临
德国科学家哈恩和斯特拉斯曼在1938年用中子轰击铀靶时，发现铀核俘获中子后会分裂成质量相差不多的两块碎片，同时放出中子和巨大的能量，这种核反应过程称为诱发核裂变。新产生的中子轰击周围的铀核，再引起铀核裂变，这样一连串的过程继续下去，形成铀原子核的链式裂变反应。
从最初裂变释放中子到下一次裂变的时间间隔仅有百万分之一秒，如果链式裂变反应过程不受限制地进行下去，就会像连珠炮被引发或成排的自行车牵动滚倒，整个铀块的核在0.01～0.001秒之内爆发裂变，并释放出巨大的能量，这就是原子弹爆炸的原理。
如果使用吸收中子能力强的镉棒和硼棒对这些击发子弹进行调控，则铀核这匹狂暴的野马就不会这样粗暴下去，而是被人类所驯服。铀核在常温热中子作用下可生成组分很复杂的裂片元素，包括原子序数从30（Zn）至65（Tb）范围内36种元素的几百种放射性核素。
这些裂片核素具有较高的中子与质子比，所以非常不稳定，通过发射β-粒子形成系列放射性衰变链。核燃料235U是天然存在的，其天然丰度仅为0.715％，因此必须经过同位素预富集提高丰度后成为浓缩铀，才能达到实用的目的。
（二）爱因斯坦质能转换关系
这是说核裂变释放出的巨大能量，它恰好与发生裂变后的质量亏损相当。
下面是铀-235裂变成钡和氪的另一核反应：23592U＋10n→13756Ba＋9736Kr＋210n＋E结合能发生核反应前后的质子、中子总数相等。质量亏损△m由左边的总质量减去右边的总质量而得。
△m=（235.0439＋1.00867）-（136.9061＋96.9212＋2×1.00867）=0.2080（u）
物理学家爱因斯坦在著名的相对论中，言简意赅地提出质量与能量相互转换的公式：E=△m·c2
式中E为能量，单位是MeV，1MeV=1.6022×10-13kg·m2／s2；光速c=2.9979×108m／s。代入上式，便可求出每个铀-235原子核裂变时放出的能量：
E=0.2080×1.6605×101271.6022×10013×（2.9979×108）2
=0.2080×931.3
=193.7（MeV）
这个能量加上铀-235裂变产物的衰变能，恰好相当于每个铀-235原子核裂变时约放出200MeV的能量。这不仅向人类揭示了核能的来源；而且告诉人类质量和能量是物质不同的存在形式，在特定条件下它们可以互相转化。
铀核受激分裂后的两个碎片可以是多种形式的组合，共有80多种新的原子核，质量数在75～160之间。这些裂变产物都是不稳定的放射性核素，分别经过多次的β-衰变达到稳定状态。
我国物理学家钱三强和何泽慧于1947年又发现了铀裂变的三分裂现象，即有三块碎片，其中一块很可能是α粒子。但这种过程的几率很小，只占两分裂的0.3％。
核能使爱因斯坦的名字举世皆知。一位好友揭秘，他的成功和深邃的智慧源于比别人更加集中的精力，以及随时随地地思考。也许是强大的核力在他头脑中凝聚，是牛顿时代以来又一位科学泰斗感兴趣的内容，竟然从自然界之最大至最小！所以人类要不断丰富和发展想象力，热爱科学，拥抱自然。
（三）丰富的能量
煤在燃烧的时候，不仅要发生化学反应，还要释放出的热量只有4.1eV。这种因化学变化而来的能量称为化学能。它的化学反应式如下：C＋O2CO2＋E化学能
每千克铀-235原子核全部裂变释放的能量是同质量标准煤燃烧放出的热量的270万倍，即相当于燃烧2700吨标准煤放出的能量，这些煤需要整列火车运载。
