Nuklearna fizika je dio fizike koji se bavi gra|om i procesima u atomskoj jezgri. Ona zapo~inje, mo`e se uzeti 1911. eksperimentima Rutherforda, Geigera, Nuttala i Marsdena. E. Rutherford je prou~avao prolaz alfa zraka kroz tanke listi}e zlata i ustanovio da alfa zrake prolaze kroz listi}e ~ija je debljina ekvivalentna debljini nekoliko hiljada atoma zlata. Na osnovu toga Rutherford je zaklju~io, da su atomi "{upljikavi", te da stvarni prosotor, prostor koji tvar zauzima mora biti daleko manji od samog atoma. Daljnjim ispitivanjima zaklju~io je da u atomu mora postojati centralno tijelo poztivna naboja, ~ije su dimenzije reda veli~ine od 1-10 X 10 na (-13)cm, dakle, gotovo stotinu hiljada puta manje od promjera atoma. To ga je ponukalo da atom zamisli kao sun~ev sistem u minijaturi, t.j. kao sistem od te{ke jezgre, oko koje se okre}u elektroni. Jezgra nosi pozitivan naboj Z, izra`en u jedinicama elektronskog naboja, jednak rednom broju doti~nog elementa u periodnom sistemu.

Nakon otkri}a atomske jezgre postavilo se pitanje njena sastava. Znalo se da jezgra nosi uglavnom svu masu atoma, dok elektroni imaju malo udjela u tome. Bilo je te{ko pretpostaviti da svaka jezgra predstavlja posebnu elementarnu ~esticu. Zbog toga je pronalazak izotopa, na osnovu kojega je pokazano da su te`ine atoma gotovo jednake cjelobrojnim vi{ekratnicima te`ine najlak{eg atoma, t.j. vodikova atoma, ponovo akuelizirao Proutovu hipotezu (1815-16) prema kojoj bi sve jezgre bile izgra|ene od vodikovih jezgara. Jezgra vodika ili proton bila bi prema tome uz elektron jedina elementarna ~estica. Naboj protona jednak je naboju elektrona (zbog neutralnosti vodikova atoma) i protivnog predznaka. Kako se masa jezgre pokazala, grubo uzeto, dvostruka od njena naboja (sve izra`eno u jedinicama jezgre vodika) pretpostavilo se, da se u jezgri, uz protone, nalaze i elektroni, koji kompenziraju naboj suvi{nih protona. Tome u prilog i{la je i op}e poznata ~injenica, da pojedine atomske jezgre izbacuju iz sebe elektrone. Zakoni beta radioaktivnosti govorili su u prilog te hipoteze.

Nekoliko godina kasnije, otkriveno je da se elektroni ne mogu ni u kojem slu~aju stalno nalaziti u jezgri, nego se u njoj stvaraju neposredno prije emisije. Trebalo je, dakle, tra`iti sastojke jezgre. God. 1932. otkrio je Chadwick novu elementarnu ~esticu, neutron. Neutron je ~estica bez naboja, s masom od prilike jednakoj masi protona. Iste godine Heisenberg je pretpostavio da je neutron sastavni dio jezgre: jezgra je sastavljena od protona i neutrona. Na taj na~in je obja{njeno za{to se naboj jezgre razlikuje od njene mase: neutroni, kao neutralne ~estice, pridonose samo masi, a ne i naboju.

Broj protona u jezgri odre|uje njen naboj, koji je jednak rednom broju elementa. Broj protona u jezgri je za dani element stalan i odre|uje njegova svojstva. Broj neutrona kod jezgara jednog istog elementa ne mora biti stalan. Jezgre istog elementa, koje se razlikuju samo u broju neutrona zovu se izotopne jezgre. Proton i neutron, ~estice koje izgra|uju atomsku jezgru (nukleus) zovu se jednim imenom nukleoni.

Danas jo{ nije poznata priroda tzv. nuklearnih sila koje dr`e nukleone na okupu u atomskoj jezgri. O njoj se zna samo toliko da je u su{tini razli~ita od gravitacionih i elektromagnetskih sila, da je izvanredno jaka, privla~na i kratkog dosega. U posljednje vrijeme pretpostavlja se da se nuklearno me|udjelovanje odvija putem virtuelne emisije apsorpcije pi-mezona. Ta, tzv. mezonska teorija nuklearnih sila koju je postavio Yukawa 1935., iako kvalitativno obja{njava niz svojstava nuklearnih sila, nailazi danas na niz principijelnih pote{ko}a i nije op}enito primljena.

Protoni uz ~esto nuklearno me|udjelovanje odbijaju se jedan od drugoga i elektrostatski, zbog svog pozitivnog elektri~nog naboja. Nuklearne sile moraju biti dovoljno jake da kompenziraju odbijanje. Budu}i da su neutroni nosioci ~isto nuklearnog privla~nog me|udjelovanja, jasno je, da }e kod te`ih jezgara, gdje je broj protona ve}i, trebati i vi{e neutrona da kompenziraju elektrostatsko odbijanje. Zbog toga kod tih jezgara broj neutrona raste br`e nego broj protona.

Kao {to se malo zna o prirodi nuklearnih sila, tako se isto malo zna i o strukturi jezgre, t.j. o na~inu kako bi nukleoni raspore|eni u jezgri. U nedostatku teorija, koje bi dale raspored nukleona u jezgri, fizika pribjegava modelima na osnovu kojih poku{ava prora~unati svojstva atomskih jezgara. Me|u najpoznatije modele spadaju modeli kapljice(N.Bohr,1953.), koji atomsku jezgru uspore|uje sa kapljicom teku}ine, te model ljuske, koji pretpostavlja da su nukleoni u jezgri poredani, te model ljuske, koji pretpostavlja da su nukleoni u jezgri poredani u pravilnim ljuskama, sli~no elektronima u atomskom pla{tu (M.Gopert-Mayer,1950.). Unificirani model(N.Bohr, 1953.) poku{ava spojiti svojstva tih dvaju modela u jednu cjelinu.

Atomske jezgre imaju svoj vlastiti angularni moment, nuklearni spin, koji se o~ituje u tzv. hiperfinoj strukturi atomskih spektara. Svojstvo spina subatomskih ~estica otkrili su 1927. Stern i Gerlach. Mjerenje spina nekih atomskih jezgara bio je prvi nepobitni dokaz da elektroni ne mogu predstavljati sastavne dijelove jezgre.

Oni su otkrili da atomske jezgre nekih elemenata emitiraju same od sebe zra~enja, koja su oni nazvali alfa, beta i gama zra~enja. Emitiranjem alfa i beta zra~enja atomske jezgre prelaze jedna u drugu. Time je otkrivena spontana nuklearna transmutacija. Prvu umjetnu transmutaciju izveo je E. Rutherford. Bombardiraju}i du{ik alfa-~esticama dobio je kao produkte bombardiranja kisik i vodik. Na taj na~in u principu bio je rije{en problem alkemi~ara, kako da jadan element pretvore u drugi. Eksperiment E. Rutherforda bio je primjer tzv. nuklearne reakcije, t.j. reakcije kod koje se bombardiranjem atomske jezgre vrlo brzim nuklearnim projektilima(obi~no protonima, deuteronima i alfa-~esticama) izaziva njena transmutacija u jednu ili vi{e novih jezgra. Nuklearne reakcije, koje se danas vr{e uz pomo} sna`nih akceleratora nuklearnih ~estica: ciklotrona, sinhrotrona, betatrona i dr. danas su osnovni na~in izu~avanja nuklearne strukture i nuklearnih sila. Jedna od najpoznatijih reakcija je nuklearna fisija ili cijepanje atomske jezgre na dva podjednaka dijela "Lan~ana reakcija".