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原子核は、原子の中心にある陽子と中性子からなる小さくて密度の高い領域で、 1909 年のガイガー・マースデン金箔実験に基づいて、1911 年にマンチェスター大学のアーネスト・ラザフォードによって発見されました。1932 年に中性子が発見された後、陽子と中性子からなる原子核のモデルは、ドミトリ・イヴァネンコ[ 1 ]とヴェルナー・ハイゼンベルク[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]によって急速に開発されました。原子は、正に帯電した原子核と、それを囲む負に帯電した電子の雲から構成され、これらは静電気力によって結合されています。原子の質量のほぼすべては原子核にあり、電子雲からの寄与はごくわずかです。陽子と中性子は核力によって結合して原子核を形成します。
原子核の直径は、1.70 fm ( 水素の場合1.70 × 10 −15 m [ 7 ] ) (単一の陽子の直径) から約 ウランの場合は11.7 fm です。[ 8 ]これらの寸法は、原子自体の直径 (原子核 + 電子雲) よりもはるかに小さく、約 27,000 倍です (ウランの原子半径は約 11.7 fm です)。午後1時56分 （156 × 10 −12 m )) [ 9 ]約 60,000 (水素の原子半径は約156 × 10 −12 m )) [ 9 ]午後52時92分 ）。[ a ]
原子核の構成要素や、原子核同士を結びつける力など、原子核の研究と理解に関わる物理学の分野は、原子核物理学と呼ばれる。
原子核は、トムソンの原子の「プラムプディングモデル」を検証しようとしたアーネスト・ラザフォードの努力の結果として、1911 年に発見されました。 [ 10 ]電子はすでにJJ トムソンによって発見されていました。原子は電気的に中性であることを知っていた JJ トムソンは、正の電荷も存在するはずだと仮定しました。トムソンは、プラムプディングモデルで、原子は正の電荷の球の中にランダムに散らばった負の電子で構成されていると示唆しました。アーネスト・ラザフォードは後に、研究パートナーのハンス・ガイガーとアーネスト・マースデンの協力を得て、薄い金属箔に向けられたアルファ粒子（ヘリウム原子核）の偏向に関する実験を考案しました。彼は、JJ トムソンのモデルが正しければ、正に帯電したアルファ粒子は、箔が電気的に中性に見えるほど密接に混ざり合っている場合、箔は電気的に中性であるはずなので、経路にほとんど偏向することなく箔を容易に通過するはずだと考えました。驚いたことに、多くの粒子が非常に大きな角度で偏向した。アルファ粒子の質量は電子の約8000倍であるため、質量が大きく高速で移動するアルファ粒子を偏向させるには、非常に強い力が働いているに違いないことが明らかになった。彼は、プラムプディングモデルは正確ではないこと、そしてアルファ粒子の偏向は、正電荷と負電荷が互いに分離され、原子の質量が正電荷の集中点であると仮定した場合にのみ説明できることに気づいた。これは、正電荷と質量が密集した中心を持つ原子核の概念を正当化するものであった。
「原子核」という用語は、ラテン語のnucleusに由来し、これはnux ('nut')の縮小形で、水分の多い果物 (桃など) の中にある「核」(つまり「小さなナッツ」) を意味します。1844 年に、マイケル・ファラデーはこの用語を「原子の中心点」を指すために使用しました。現代の原子の意味は、1912 年にアーネスト・ラザフォードによって提唱されました。[ 11 ]しかし、「原子核」という用語が原子論に採用されたのは、すぐには実現しませんでした。たとえば、1916 年に、ギルバート・N・ルイスは、有名な論文「原子と分子」の中で、「原子は核と外側の原子または殻から構成されている」と述べています。 [ 12 ]同様に、ドイツ語とオランダ語では、核を意味するkernという 用語が使われています。
原子核は中性子と陽子から構成され、これらはさらにクォークと呼ばれる素粒子であり、核の強い力によって、バリオンと呼ばれるハドロンの特定の安定した組み合わせで結合されています。核の強い力は各バリオンから十分に離れたところまで及び、正に帯電した陽子間の反発力に抗して中性子と陽子を結合させます。核の強い力は非常に短い範囲に及び、原子核の端を少し超えるとほぼゼロになります。正に帯電した原子核の集合的な作用は、負に帯電した電子を原子核の周りの軌道に保持することです。原子核の周りを回る負に帯電した電子の集合は、軌道を安定させる特定の配置と数の電子に対する親和性を示します。原子がどの化学元素を表すかは、原子核内の陽子の数によって決まります。中性原子は、原子核の周りを回る電子の数が同じになります。個々の化学元素は、電子を共有することで結合し、より安定した電子配置を作り出すことができる。原子核の周りに安定した電子軌道を作り出すためのこの電子の共有こそが、私たちの目にはマクロ世界の化学として映るのである。
陽子は原子核の電荷全体、ひいてはその化学的性質を決定します。中性子は電気的に中性ですが、原子核の質量に陽子とほぼ同程度寄与します。中性子は同位体（原子番号は同じだが原子量が異なる）という現象を説明することができます。中性子の主な役割は、原子核内部の静電反発力を低減することです。
陽子と中性子はフェルミオンであり、強いアイソスピン量子数の値が異なるため、2つの陽子と2つの中性子は同一の量子実体ではないため、同じ空間波動関数を共有することができます。これらは、同じ粒子である核子の2つの異なる量子状態と見なされることがあります。[ 13 ] [ 14 ] 2つのフェルミオン、例えば2つの陽子、2つの中性子、または陽子と中性子（重水素）は、整数スピンを持つペアで緩く結合すると、ボソン的な振る舞いを示すことがあります。
まれなケースでは、ハイパー核と呼ばれる第3のバリオン（ハイペロン）が、1つ以上のストレンジクォークやその他特異なクォークを含み、波動関数を共有することがある。しかし、この種の原子核は極めて不安定であり、高エネルギー物理実験以外では地球上では発見されない。
原子核の形状は、球形、ラグビーボール形（長軸変形）、円盤形（扁平変形）、三軸形（扁平変形と長軸変形の組み合わせ）、または洋ナシ形になることがある。[ 15 ] [ 16 ]
原子核は残留強い力（核力）によって結合されています。残留強い力は、クォークを結合させて陽子と中性子を形成する強い相互作用のわずかな残留力です。この力は、中性子と陽子の間では、ほとんどが中和されているため、はるかに弱くなっています。これは、中性原子間の電磁力（例えば、 2つの不活性ガス原子間に働くファンデルワールス力）が、原子の内部で各部分を結合させている電磁力（例えば、不活性ガス原子の電子を原子核に結合させている力）よりもはるかに弱いのと同様です。
核力は典型的な核子間隔では非常に強く、陽子間の電磁力による反発力を凌駕するため、原子核が存在することができます。しかし、残存する強い力は距離とともに急速に減衰するため、作用範囲が限られています（湯川ポテンシャルを参照）。したがって、ある一定のサイズよりも小さい原子核のみが完全に安定することができます。既知の最大の完全に安定な原子核（アルファ崩壊、ベータ崩壊、ガンマ崩壊に対して安定な原子核）は鉛208で、合計208個の核子（中性子126個と陽子82個）を含んでいます。この最大値よりも大きい原子核は不安定で、核子の数が増えるにつれて寿命が短くなる傾向があります。しかし、ビスマス209もベータ崩壊に対して安定であり、既知の同位体の中で最も長いアルファ崩壊半減期を持ち、宇宙の年齢の10億倍と推定されています。
残留する強い力は非常に短い範囲（通常はわずか数フェムトメートル（fm）、おおよそ核子の直径の1～2倍）で有効であり、任意の核子ペア間に引力を生じさせる。例えば、陽子と中性子が重水素（NP）を形成する際、また陽子同士、中性子同士の間にも引力が生じる。
核力の有効絶対限界（残留強い力とも呼ばれる）は、リチウム11やホウ素14などのハロー核によって表され、これらの核では、二中性子、またはその他の中性子の集合が約 の距離で周回している。10 fm (おおよそ ウラン238の原子核の半径は8 fmです。これらの原子核は最大密度ではありません。ハロー原子核は核種図の極端な端、つまり中性子ドリップラインと陽子ドリップラインで形成され、すべて不安定で半減期はミリ秒単位で測定されます。たとえば、リチウム11の半減期は8.8 ミリ秒。
ハローは、実際には、外側の量子殻に核子があり、その「下」に（半径とエネルギーの両方の観点から）満たされていないエネルギー準位がある励起状態を表します。ハローは、中性子 [nn、nnn] または陽子 [pp、ppp] のいずれかで構成されます。単一の中性子ハローを持つ原子核には、11Be と 19C があります。2つの中性子ハローは、 6He、11Li、17B、19B 、および22Cによって示されます。2 つの中性子ハローを持つ原子核は、2 つではなく 3 つの断片に分裂し、この挙動のためにボロメオ原子核と呼ばれます(3 つの相互に連結したリングのシステムを指し、いずれかのリングが壊れると他の 2 つのリングが解放されます)。8Heと14Beは両方とも 4 つの中性子ハローを示します。陽子ハローを持つ原子核には、8Bと26Pがある。2つの陽子からなるハローは、17Neと27Sに見られる。陽子ハローは、ハロー陽子の反発的な電磁力のため、中性子ハローの例よりも稀で不安定であると予想される。
物理学の標準模型は原子核の構成と挙動を完全に記述すると広く信じられているが、理論から予測を立てることは、素粒子物理学の他のほとんどの分野よりもはるかに難しい。これには2つの理由がある。
歴史的に、実験は必然的に不完全な比較的粗雑なモデルと比較されてきた。これらのモデルのどれも、原子核構造に関する実験データを完全に説明できるものではない。[ 18 ]
原子核半径（R）は、あらゆるモデルが予測しなければならない基本量の1つと考えられています。安定な原子核（ハロー核やその他の不安定な歪んだ原子核を除く）の場合、原子核半径は原子核の質量数（A）の立方根にほぼ比例し、特に多くの核子を含む原子核では、核子がより球形に近い配置をとるため、この傾向が顕著になります。
安定な原子核はほぼ一定の密度を持つため、原子核半径Rは次の式で近似できる。
ここで、 A = 原子質量数（陽子の数Zと中性子の数Nの合計）およびr 0 = 1.25 fm = 1.25 × 10 −15 m。この式では、「定数」r 0 は対象となる原子核によって0.2 fmだけ変化しますが、これは定数からの20%未満の変化です。 [ 19 ]
言い換えれば、陽子と中性子を原子核に詰め込むと、一定の大きさの硬い球（ビー玉など）を球形またはほぼ球形の袋に詰め込んだ場合とほぼ同じ大きさになる（安定な原子核の中には完全に球形ではないものもあるが、長球形であることが知られている）。[ 20 ]
原子核構造のモデルには以下が含まれる。
クラスターモデルでは、原子核は分子のような陽子-中性子群（例えばアルファ粒子）の集合体であり、1つ以上の価中性子が分子軌道を占めていると説明されています。[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]
初期の原子核モデルでは、原子核は回転する液滴として捉えられていました。このモデルでは、長距離の電磁力と比較的短距離の核力のトレードオフによって、大きさの異なる液滴の表面張力に似た挙動が生じます。この式は、原子核の大きさや組成の変化に伴う結合エネルギーの変化（半経験的質量公式を参照）など、原子核の多くの重要な現象を説明するのに成功していますが、陽子や中性子の数が特定の「魔法数」を持つ場合に生じる特別な安定性を説明することはできません。
多くの原子核の結合エネルギーを近似するために使用できる半経験的質量公式の項は、5種類のエネルギーの合計として考えられます（下記参照）。すると、原子核を非圧縮性液体の滴として捉えるモデルは、原子核の結合エネルギーの観測された変化を概ね説明できます。
体積エネルギー。同じ大きさの核子を最小体積に詰め込むと、それぞれの内部核子は一定数の他の核子と接触することになります。したがって、この核エネルギーは体積に比例します。
表面エネルギー。原子核の表面にある核子は、原子核内部にある核子よりも相互作用する他の核子の数が少ないため、結合エネルギーは小さくなります。この表面エネルギーの項は、その点を考慮したものであり、負の値を取り、表面積に比例します。
クーロンエネルギー。原子核内の各陽子対間の電気的反発力は、原子核の結合エネルギーを低下させる方向に働く。
非対称エネルギー（パウリエネルギーとも呼ばれる）。パウリの排他原理に関連するエネルギー。クーロンエネルギーがなければ、最も安定な核物質は中性子と陽子の数が同じになる。なぜなら、中性子と陽子の数が異なると、一方の粒子の高エネルギー準位が満たされ、もう一方の粒子の低エネルギー準位が空いたままになるからである。
対形成エネルギー。陽子対と中性子対が発生する傾向から生じる補正項であるエネルギー。偶数個の粒子は奇数個よりも安定している。
原子核のモデルとしては、原子物理学理論における原子軌道のように、核子が軌道を占めるというモデルもいくつか提案されている。これらの波動モデルでは、核子はポテンシャル井戸の中にある大きさのない点粒子、あるいは「光学モデル」のように、ポテンシャル井戸の中を摩擦なく高速で周回する確率波として想定されている。
上記のモデルでは、核子はフェルミオンであるため、軌道をペアで占有することができ、これにより、実験でよく知られている偶数/奇数ZおよびN効果を説明できます。核殻の正確な性質と容量は、原子軌道の電子のそれとは異なります。これは主に、核子が運動するポテンシャル井戸（特に大きな原子核の場合）が、原子内の電子を束縛する中心電磁ポテンシャル井戸とはかなり異なるためです。原子軌道モデルとの類似点は、ヘリウム 4のような小さな原子核に見られます。この原子核では、2 つの陽子と 2 つの中性子が、ヘリウム原子の 2 つの電子の 1s 軌道に類似した 1s 軌道を別々に占有し、同じ理由で異常な安定性を実現しています。 5 個の核子を持つ原子核はすべて極めて不安定で寿命が短いが、 3 個の核子を持つヘリウム 3は、閉じた 1s 軌道殻がないにもかかわらず非常に安定している。3 個の核子を持つ別の原子核である三重水素 3は不安定で、孤立するとヘリウム 3 に崩壊する。1s 軌道に 2 個の核子 {NP} を持つ弱い核安定性は、陽子と中性子のポテンシャル井戸にそれぞれ 1 個の核子しかない重水素水素 2に見られる。各核子はフェルミオンであるが、{NP} 重水素はボソンであるため、殻内の密充填に関するパウリの排他則に従わない。6個の核子を持つリチウム 6は、閉じた第 2 の 1p 殻軌道がなくても非常に安定している。全核子数が 1 ～ 6 の軽い原子核のうち、5 個の核子を持つものだけが安定性の証拠を示さない。閉殻外の軽原子核のベータ安定性の観測結果は、原子核の安定性が、陽子と中性子の魔法数による殻軌道の単純な閉殻よりもはるかに複雑であることを示している。
より大きな原子核では、核子が占める殻は電子殻とは大きく異なるようになるが、それでもなお、現在の原子核理論は陽子と中性子の両方について、満たされた核殻の魔法数を予測している。安定殻の閉殻は、化学におけるほぼ不活性なガスの貴ガス群に類似した、異常に安定した配置を予測する。一例として、陽子50個の閉殻の安定性があり、これによりスズは他のどの元素よりも多い10個の安定同位体を持つことができる。同様に、殻の閉殻からの距離は、放射性元素43（テクネチウム）と61（プロメチウム）のように、安定数から大きくかけ離れた数の同位体の異常な不安定性を説明する。これらの元素はそれぞれ、前後に17個以上の安定元素が存在する。
しかし、閉殻から十分に離れた核特性を説明しようとすると、殻モデルには問題が生じます。このため、実験データに適合するようにポテンシャル井戸の形状を事後的に複雑に歪める必要がありましたが、これらの数学的操作が実際の原子核の空間的変形に実際に対応しているかどうかは疑問が残ります。殻モデルの問題から、核子クラスターを含む現実的な2体および3体の核力効果を提案し、それに基づいて原子核を構築する人もいました。そのようなクラスターモデルには、ジョン・ホイーラーの1936年の共鳴群構造モデル、ライナス・ポーリングの密充填球体モデル、マクレガーの2次元イジングモデルなどがあります。[ 18 ]
