Ядро простейшего атома — атома водорода — состоит из одной элементарной частицы, называемой протоном. Ядра всех остальных атомов состоят из двух видов элементарных частиц — протонов и нейтронов. Эти частицы носят название нуклонов.
Протон. Протоно ( p ) обладает зарядом +e и массой
Для сравнения укажем, что масса электрона равна
Из сопоставления и следует, что mp= 1836 me
Протон имеет спин, равный половине (s = 
), и собственный магнитный момент
Где
— единица магнитного момента, называемая ядерным магнетоном. Из сравнения масс протона и электрона вытекает, что μя в 1836 раз меньше магнетона Бора μб. Следовательно, собственный магнитный момент протона примерно в 660 раз меньше, чем магнитный момент электрона.
Нейтрон. Нейтрон (n) был открыт в 1932 г. английским физиком
Д. Чедвиком. Электрический заряд этой частицы равен нулю, а масса
Очень близка к массе протона. Разность масс нейтрона и протона (mn – mp)
Составляет 1,3 МэВ, т. е. 2,5 me.
Нейтрон обладает спином, равным половине (s = ) и (несмотря на отсутствие электрического заряда) собственным магнитным моментом
μn = — 1,91 μя
(знак минус указывает на то, что направления собственных механического и магнитного моментов противоположны). Объяснение этого удивительного факта будет дано позже.
Отметим, что отношение экспериментальных значений μp и μn с большой степенью точности равно — 3/2 . Это было замечено лишь после того, как такое значение было получено теоретически.
В свободном состоянии нейтрон нестабилен (радиоактивен) – он самопроизвольно распадается, превращаясь в протон и испуская электрон (e-) и еще одну частицу, называемую антинейтрино 
. Период полураспада (т. е. время, за которое распадается половина первоначального количества нейтронов) равен примерно 12 мин. Схему распада можно написать следующим образом:
Масса покоя антинейтрино равна нулю. Масса нейтрона больше массы протона на 2,5me. Следовательно, масса нейтрона превышает суммарную массу частиц, фигурирующих в правой части уравнения на 1,5me, т. е. на 0,77 МэВ. Эта энергия выделяется при распаде нейтрона в виде кинетической энергии образующихся частиц.
Характеристики атомного ядра. Одной из важнейших характеристик атомного ядра является зарядовое число Z. Оно равно количеству протонов, входящих в состав ядра, и определяет его заряд, который равен +Ze. Число Z определяет порядковый номер химического элемента в периодической таблице Менделеева. Поэтому его также называют атомным номером ядра.
Число нуклонов (т. е. суммарное число протонов и нейтронов) в ядре обозначается буквой А и называется массовым числом ядра. Число нейтронов в ядре равно N = A – Z.
Для обозначения ядер применяется символ
Где под X подразумевается химический символ данного элемента. Слева вверху ставится массовое число, слева внизу – атомный номер (последний значок часто опускают). Иногда массовое число пишут не слева, а справа от символа химического элемента 
Ядра с одинаковым Z, но разными А называются Изотопами.
Большинство химических элементов имеет по несколько стабильных
изотопов. Так, например, у кислорода имеется три стабильных изотопа:
, у олова — десять, и т. д.
Водород имеет три изотопа:
– обычный водород, или протий (Z=1, N=0),
– тяжелый водород, или дейтерий (Z=1, N=1),
– тритий (Z=1, N=2).
Протий и дейтерий стабильны, тритий радиоактивен.
Ядра с одинаковым массовым числом А называются Изобарами.
В качестве примера можно привести 
и 
. Ядра с одинако-
вым числом нейтронов N = A – Z носят название Изотонов (
,
).
Наконец, существуют радиоактивные ядра с одинаковыми Z и A,
отличающиеся периодом полураспада. Они называются Изомерами. Напри-
мер, имеются два изомера ядра 
, у одного из них период полу-
распада равен 18 мин, у другого – 4,4 часа.
Известно около 1500 ядер, различающихся либо Z, либо А, либо и тем и другим. Примерно 1/5 часть этих ядер устойчивы, остальные радиоактивны. Многие ядра были получены искусственным путем с помощью ядерных реакций.
В природе встречаются элементы с атомным номером Z от 1 до 92, исключая технеций (Tc, Z = 43) и прометий (Pm, Z = 61). Плутоний (Pu, Z = 94) после получения его искусственным путем был обнаружен в ничтожных количествах в природном минерале – смоляной обманке. Остальные трансурановые (т. е. заурановые) элементы (с Z от 93 до 107) были получены искусственным путем посредством различных ядерных реакций.
Трансурановые элементы кюрий (96 Cm), эйнштейний (99 Es), фермий (100 Fm) и менделевий (101 Md) получили название в честь выдающихся ученых II. и М. Кюри, А. Эйнштейна, З. Ферми и Д. И. Менделеева. Лоуренсий (103 Lw) назван в честь изобретателя циклотрона Э. Лоуренса. Курчатовий (104 Ku) получил свое название в честь выдающегося физика И. В. Курчатова.
Некоторые трансурановые элементы, в том числе курчатовий и элементы с номерами 106 и 107, были получены в Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований в Дубне ученым
Н. Н. Флеровым и его сотрудниками.
Размеры ядер. В первом приближении ядро можно считать шаром, радиус которого довольно точно определяется формулой
(ферми – название применяемой в ядерной физике единицы длины, равной
10-13 см). Из формулы следует, что объем ядра пропорционален числу нуклонов в ядре. Таким образом, плотность вещества во всех ядрах примерно одинакова.
Спин ядра. Спины нуклонов складываются в результирующий спин ядра. Спин нуклона равен 1/2. Поэтому квантовое число спина ядра будет полуцелым при нечетном числе нуклонов А и целым или нулем при четном А. Спины ядер J не превышают нескольких единиц. Это указывает на то, что спины большинства нуклонов в ядре взаимно компенсируют друг друга, располагаясь антипараллельно. У всех четно-четных ядер (т. е. ядро с четным числом протонов и четным числом нейтронов) спин равен нулю.
Механический момент ядра MJ складывается с моментом электронной оболочки 
в полный момент импульса атома MF, который определяется квантовым числом F.
Взаимодействие магнитных моментов электронов и ядра приводит к тому, что состояния атома, соответствующие различным взаимным ориентациям MJ и (т. е. различным F), имеют немного отличающуюся энергию. Взаимодействием моментов μL и μS обусловливается тонкая структура спектров. Взаимодействием μJ и 
определяется сверхтонкая структура атомных спектров. Расщепление спектральных линий, соответствующее сверхтонкой структуре, настолько мало (порядка нескольких сотых ангстрема), что может наблюдаться лишь с помощью приборов самой высокой разрешающей силы.