當代核物理學的發展
人類認識原子核最早始於對天然放射性的研究。1896年，貝克勒爾（Becquerel，Antoine-Henri1852～1908）在研究X射線時，發現了物質的一種奇特輻射現象。1898年，居裏夫人將它命名為放射性。1899年貝克勒爾發現了射線的磁偏轉，遂於1900年他正式指出，這種帶負電的射線由高速電子組成，這些粒子的性質與J.J湯姆遜發現的陰極射線電子相同。貝克勒爾所觀察到的放射性使人類第一次看到了核變化。這一發現不但導致此後40多年，人們對放射性衰變規律與射線性質的研究，也更促成了原子核物理學的建立與發展。通常把這一重大發現看作核物理學的開端，為此，貝克勒爾與居裏夫婦共同獲得1903年諾貝爾物理學獎。
1911年，盧瑟福（Rutherford，Ernest1871～1937）等人用放射性元素發出的α射線轟擊各種原子，觀察到了α射線的大角度偏折，從而確立了原子的核式結構，由此不僅提出了原子的行星模型，而且首次提出了原子核這個概念。1919年，盧瑟福又發現，用α射線轟擊氮核有質子放出，這不僅是人類首次實現的核蛻變，而且也開創了用射線轟擊核實現核反應以研究原子核的方法。1932年查德威克（Chardwick，JamesSir1891～1974）發現中子，1934年人工放射性核素合成成功，這是初期核反應研究的兩項重要研究成果。它們使人們意識到，原子核由中子和質子組成，從此擺脫了困擾人們長達10年之久的質子-電子核模型，人們更進一步認識到，中子核反應是研究核的更佳手段。由於對核結構、核性質深入認識的渴望，以及對“新能源”的追求，進入到30年代，世界各地大多數著名的研究室及實驗室都陸續轉向了核物理研究，形成了這一領域研究的世界性高潮。在這一時期，各種靜電、直線和回旋加速器先後研製成功，人們獲得了束流更強、能量更高、種類更多的各種射線，從而大大擴展了核反應的研究工作。此時，加速器已成為研究原子核、與核物理應用技術的重要設備。1936～1937年間，德裔美國物理學家貝特（Bethe，HansAlbrecht1906～）與其它兩位合作者在美國《近代物理評論》上發表了關於原子核力、核結構以及核反應的長篇論文，這一論文的發表標誌著理論核物理學的開端。
核結構與核動力理論發展
1．從獨立粒子核殼層模型到原子核集體模型
核物理研究一開始，就麵臨著一個重要的問題，這就是核子間相互作用的性質。人們注意到，大多數原子核是穩定的，而通過對不穩定原子核的γ衰變、β衰變和α衰變的研究發現，原子核的核子之間必然存在著比電磁作用強得多的短程、且具有飽和性的吸引力。此外，大量實驗還證明，質子-質子、質子-中子、中子-中子之間的相互作用，除了電磁力不同外，其它完全相同，這就是核力的電荷無關性。1935年，湯川秀樹（YukawaHideki1907～1981）提出，核子間相互作用是通過交換一種沒有質量的介子實現的。1947年，π介子被發現，其性質恰好符合湯川的理論預言。
介子交換理論認為，單個π介子交換產生核子間的長程吸引作用（≥3×10-13cm），雙π介子交換產生飽和中程吸引作用（1～3×10-13cm），而ρ、ω分子交換產生短程排斥作用（＜1×10-13cm＝，π介子的自旋為零，稱為標量介子，ρ、ω介子的自旋為1，稱為矢量介子，它們的靜止質量不為零，這確保了核力的短程性，而矢量介子的非標量性又保證了核力的自旋相關性。核力性質及核組成成分的研究，為進一步揭示原子核的結構創造了條件。
在早期的原子核模型中，較有影響的有玻爾的液滴模型、費密氣體模型、巴特勒特和埃爾薩斯的獨立粒子模型以及邁耶和詹森的獨立粒子核殼層模型。其中最成功的是獨立粒子核殼層模型。
在1948～1949年間，邁耶（Mayer，MariaGoeppert1906～1972）通過分析各種實驗數據，重新確定了一組幻數，即2、8、20、28、50和82。確定這些幻數的根據是：原子核是這些幻數的化學元素相對豐度較大；幻核的快中子和熱中子的截麵特別小；幻核的電四極矩特別小；裂變產物主要是幻核附近的原子核；⑤原子的結合能在幻核附近發生突變；⑥幻核相對α衰變特別穩定；⑦β衰變所釋放的能量在幻核附近發生突變。在費密的啟發下，邁耶在平均場中引入強的自旋-軌道耦合力，利用該力引起的能級分裂成功地解釋了全部幻數的存在。接著，詹森（Jensen，JohannesHansDaniel1907～1973）也獨立地得到了相同的結果。在邁耶與詹森合著的《原子核殼層基本原理》一書中，他們利用核殼層模型成功地解釋了原子核的幻數、自旋、宇稱、磁矩、β衰變和同質異能素島等實驗事實。由於原子核殼層結構模型所獲得的成功，及其在核物理研究中的重要作用，邁耶和詹森共同獲得1963年諾貝爾物理學獎。
核殼層模型是在大量的關於核性質、核譜以及核反應實驗數據綜合分析的基礎上提出的，它對原子核內部核子的運動給出了較清晰的物理圖象。這一模型的核心是平均場思想。它認為，就像電子在原子中的平均場中運動一樣，在原子核內，每個核子也近似地在其它核子的平均場中做獨立的運動，因此原子核也應具有殼層結構，通常把這一模型稱為獨立粒子核殼層模型。
平均場的思想使核殼層模型取得了多方麵的成功，但是它也具有不可避免的局限性，因為核子之間的相互作用不可能完全由平均場作用代替。除了平均場以外，核子之間還有剩餘相互作用。隨著核物理研究的發展，在50年代以後，陸續發現一些新的實驗事實，如大的電四極矩、磁矩、電磁躍遷幾率、核激發能譜的振動譜、轉動譜以及重偶偶核能譜中的能隙等，它們都不能用獨立粒子的核殼層模型解釋。
1953年，丹麥物理學家、著名物理學家N.玻爾之子阿·玻爾（Bohr，AageNiels1922～）與他的助手莫特森（Mottelson，BenRoy1926～）及雷恩沃特（Rainwater，LeoJames1917～）共同提出了關於原子核的集體模型。這一模型認為，除平均場外，核子間還有剩餘的相互作用，剩餘作用引起核子之間關聯，這種關聯是對獨立粒子運動的一種補充，其中短程關聯引起核子配對。描述這種關聯的核子對模型已經得到大量的實驗支持。核子間的長程關聯將使核變形，並產生集體運動，原子核轉動和振動能譜就是這種集體運動的結果，而重核的裂變以及重離子的熔合反應又是原子核大變形引起的集體運動的結果。原子核的集體模型認為，每個核子在核內除了相對其它核子運動外，原子核的整體還發生振動與轉動，處於不同運動狀態的核，不僅有自己特定的形狀，還具有不同的能量和角動量，這些能量與角動量都是分立的，因而形成能級。正因如此，與隻適用於球形核的獨立粒子殼層模型相比，原子核的集體模型有了很大的發展。用它可以計算核液滴的各種形狀對應的能量和角動量。此外，當核由高能級向低能級躍遷時，能量通常還能以γ射線的形式釋放出來，這一特征正與大量處於穩定線附近的核行為相符。此外，根據這一模型，當核形狀固定時，轉動慣量不變，隨著角動量加大，核形狀變化，轉動慣量相應改變，導致轉動能級變化，因此，這一模型對變形核轉動能級的躍遷規律的研究，已成為研究奇異核的基礎。原子核集體模型解決了獨立粒子核殼層模型的困難，成功地解決了球形核的振動、變形核的轉動和大四極矩等實驗事實，為原子核理論的發展作出重要的貢獻，為此，阿·玻爾、莫特森與雷恩沃特共同獲得了1975年諾貝爾物理學獎。
2．核結構與核動力學的新進展——IBM理論
發展核模型的目的，在於更準確地描述原子核的各種運動形態，以期建立一個更為完整的核結構理論。由於人們對於核子間的相互作用性質、規律及機製並不完全清楚，不可能像經典物理那樣，通過核子間的相互作用先建立一個核結構與核動力學理論，隻能依靠所建立的模型，對有實驗數據的核素或能區進行理論計算，再與實驗的結果相比較，根據比較結果，調整模型，再通過模型理論，估算沒有實驗數據的空缺能區，發展實驗技術，補充空缺數據，再與理論估算相比較，如此循環往複，推動核結構理論的進展，這是一個艱苦而又漫長的探索過程。截止到70年代初，核結構理論的進展大多在傳統的範圍內發展著。傳統核結構理論的特點是：沒有考慮核子的自身結構；處理核力多為二體作用，把核內核子間的作用，等同於自由核子間的相互作用；認為核物質是無限的；應用的是非相對論的量子力學；⑤研究對象是通常條件（基態或低激發態、低溫、低壓、常密度等）下的自然核素。
從70年代中到90年代，核物理的研究跳出了傳統範圍，有了巨大的進展。首先是實驗手段的發展，各種中、高能加速器、重離子加速器相繼投入運行；與此相應，探測技術的發展不僅擴大了可觀測核現象的範圍，也提高了觀測的精度與分析能力；核數據處理技術由手工向計算機化的轉變，更加速了核理論研究的進程。受到粒子物理學和天體物理學發展的影響，核物理理論也開始從傳統的非相對論量子核動力學（QND）向著相對論量子強子動力學（QHD）和量子色動力學（QCD）轉變。一個以相對論量子場論、弱電統一理論與量子色動力學為基礎的現代核結構理論正在興起。雖然由於粒子物理已成為一門獨立學科，核物理已不再是研究物質結構的最前沿，但是核物理的研究卻更進入了一個向縱深發展的嶄新階段。
原子核的集體模型除了平均場外，還計入了剩餘相互作用，因而加大了它的預言能力。然而，核多體問題在數學處理上的難度很大，這給實際研究造成很大的困難。近十幾年來，有人提出了各種更為簡化的核結構模型，其中主要的有液點模型，它的特點是反映了原子核的整體行為和集體運動，能較好地說明原子核的整體性，如結合能公式、裂變、集體振動和轉動等。除了液點模型外，還有互作用的玻色子模型（IBM），這一模型也是企圖用簡化方法研究核結構。目前，由於人們除了對核子間的核力作用認識不清以外，又由於原子核是由多個核子統成的多體係統，考慮到每個核子的3維坐標自由度、自旋與同位族自由度，運動方程已無法求解，加上多體間相互作用就更難上加難。過去的獨立核殼層模型強調了獨立粒子的運動特性，而原子核集體模型又強調了核的整體運動，這兩方麵的理論沒能做到很好的結合。盡管核子的多體行為複雜，無法從理論計算入手，實驗觀察卻發現，原子核這樣一個複雜的多費密子係統，卻表現出清晰的規律性與簡單性。這一點啟發人們，能否先“凍結”一些自由度，研究核的運動與動力學規律，從簡單性入手研究核，這就是互作用玻色子模型的出發點。
1968年，費什巴赫（Feshbach）與他的學生拉什羅（F.lachllo）在研究雙滿殼輕核時，把粒子-空穴看成為一個玻色子，提出了相互作用玻色子概念。1974年，拉什羅把這一概念用於研究中、重偶偶核，他與阿裏默（A.Arima）合作，提出了互作用玻色子模型。這一模型認為，偶偶核包括雙滿殼的核實部分與雙滿殼外的偶數個價核子部分。若先把核實的自由度“凍結”，把價核子配成角動量為0或2的核子對，即可把費密子對處理為玻色子，用玻色子間的相互作用描述偶偶核，可以使問題大大簡化。他們的這一模型在解釋中、重原子核的低能激發態上取得了很大的成功。互作用玻色子模型更為成功之處是，它預言了原子核在超空間中的對稱性。它指出核轉動、核振動等集體運動行為是核動力學對稱性的反映。由於對核動力學對稱性的揭示，這一模型雖然比較抽象，卻更為深刻也更為本質。在過去，提到對稱性，往往被認為是粒子物理學的研究課題。其實，核物理也是對稱性極為豐富的研究領域。最早注意到核對稱性的是匈牙利裔美國物理學家、狄喇克的妻兄維格納（Wigner，EugenePaul1902～）。維格納畢業於柏林大學化學係，1925年獲得博士學位，1930年與諾伊曼（Neumann，Johnvon1903～1957）一起被邀請到美國，擔任普林斯頓大學數學物理教授。1936年，兩人共同創立中子吸收理論，為核能事業做出重大貢獻。1937年，維格納基於核的自旋、同位旋，引入超多重結構，建立了宇稱守恒定律。由於對原子核基本粒子理論的貢獻，特別是對對稱性基本原理的貢獻，維格納獲得了1963年諾貝爾物理學獎。繼維格納，對原子核動力學對稱性進行更深入研究的是埃裏奧特。1958年，埃裏奧特研究了諧振子場的對稱性，建立了玻色子相互作用的SU（3）動力學對稱性理論，這一理論與質量數A在16～24的核理論有很好的符合，但對於A較大的核，由於自旋-軌道耦合，使這種對稱性遭到破壞，而偏離很大。在1974年拉什羅和阿裏默提出的互作用玻色子模型中，將角動量為0的玻色子稱為s玻色子，角動量為2的玻色子稱為d玻色子，s、d玻色子展開一個6維超空間，係統狀態的任何一種變化，都可以通過6維空間的麼正變換實現，這種麼正變換構成U（6）群。原子核的角動量守恒即與空間轉動不變性相聯係，即s、d係統具有U（6）的對稱性。他們還發現，s、d玻色子係統存在三個群鏈，U（6）U（5）SO（5）SU（3），簡稱U（5）極限。U（6）SU（3）SO（3），簡稱SU（3）極限。U（6）SO（6）SO（5）SO（3），簡稱SO（6）極限。在三個群鏈情況下，與s、d玻色子相互作用相關的哈密頓量均有解析解，原子核具有相應群的對稱性。在三種極限情況，能量本征值對角動量都有確定的依賴關係，動力學對稱性也依能級次序的表現而不相同。總之，這一研究成果揭示了原子核結構與動力學的對稱性，並與實驗結果取得了很大程度上的一致，IBM理論取得了很大的成功。
核內非核子自由度的研究
1.π介子自由度
在建立互作用玻色子模型的同時，核結構理論又從核內非核子自由度的研究中得到了新的進展。以核集體模型為代表的廣義核殼層模型盡管取得了一定的成功，但畢竟還有一定的局限性。首先，這些模型都隻是從部分實驗事實或觀測現象出發，從某個側麵用類比方法反映核子係統的機製。此外，在核反應理論中，所引入的可調參數又太多。可調參數越多，說明這個理論離成熟性與完整性越遠。再加上現有的各種核模型間缺乏統一的內在聯係，它們不是一個包容另一個，而是彼此獨立，相互間關聯甚少。追究起來，存在這些問題的原因是對核多體係統的認識有關。按傳統認識，核內的核子隻是一個無結構的點，核僅由這些被當作為點的核子組成，即原子核隻存在有核子自由度，核子之間的作用單純為兩點間的作用。事實上，早在30年代，有人就預言了核內存在有非核子的自由度。
1932年，查德威克發現了原子核內除了質子外，還有中子以後，很快地，海森伯就提出原子核是由質子和中子組成的。然而是什麼力把它們緊緊地約束在核中呢？1935年，湯川秀樹發表了核力的介子場理論，他認為π介子是核力的媒介，並參與β衰變，同時提出了核力場方程及核力的勢。根據這一理論，質子和中子通過交換π介子互相轉化。1947年，π介子在宇宙射線中被發現。由於在核力理論中預言π介子的存在，湯川秀樹獲得了1949年諾貝爾物理學獎。
隨著粒子物理學的發展，人們逐漸發現，在原子核內，除了傳統的質子、中子自由度以外，還有更多的自由度，它們包括：π介子自由度、ρ介子自由度以及各種核子的共振態△、σ粒子自由度、核內誇克自由度和核內色激發自由度等，情況遠比人們對核的傳統認識複雜。對這些自由度的研究極大地豐富了原子核物理學的基本內容。
多年來，人們一直在尋求著核內存在π介子的直接或間接的實驗證明。一個主要的困難是得知核內存在π介子，需要波長極短的入射粒子束。為避免強相互作用帶來更多的不確定性，人們選用了入射光子的方法。近年來，有兩個有名的實驗給出了核內存在π介子自由度的證明。其一是氘核的光分裂實驗，人們用兩種方法計算了氘核光分裂γ+D→n+p過程的反應截麵。結果發現，在入射光子能量Er≤50MeV情況下，認為核隻具有純核子自由度的計算結果與實驗符合，偏差隻有10%左右；然而當Er＞50MeV時，純核子自由度的計算與實驗結果的偏離明顯地加大，隻有考慮了π介子自由度以後，才與實驗結果一致。這一實驗不僅證明了核內π介子的存在，而且還說明了在通常的低能核物理中，分子的自由度不能表現出來。另一個證明π介子自由度的是利用電子散射對3He形狀因子的研究實驗。實驗結果表明，在電子與核的動量轉移過程中，越接近核中心區域，動量交換值越大，核中心區域是高動量轉移區，核的邊緣為低動量轉移區，而隻有在低動量轉移區，純核子自由度理論才與實驗結果符合，在高動量轉移的中心區，必須計入π介子及△自由度的影響，才能與實驗符合。這個實驗不僅證明了核內π介子自由度的存在，而且進一步指出，在原子核的中心區域，非核子自由度問題的重要性更為突出。