大学生理解核结构的难点是量子力学，这个课程是给刚上大一的学生就可以学习的，所以需要提前准备一些量子力学的基础知识。量子力学的逻辑体系比较复杂，计算也超出了大一学生的能力，所以只能给出最基本的概念和结论。而研究核结构就是一个非常好的开端。因为原子核就像宇宙中的天体一样，孤零零的悬浮在原子的中心。

    这样一来，所需要的量子力学的知识就会非常少，只需要了解哈密顿量，以及能量的量子化就可以了。能量的量子化是高三物理就已经接触的概念，对于大一的学生来说是可以理解的。

     1900年，普朗克为了解释黑体辐射谱的分布，引入了能量量子的概念，也就是在微观世界，能量的存在和变化不是连续的而是一份一份的，开启了量子时代。这个概念和原子很相似，比如液态的水，日常的经验告诉我们水的存在和变化是连续的，但是实际上到了微观尺度，就会发现水实际上是由水分子构成的，是离散的存在。

     但是能量的量子的确更让人难以接受。特别是，如何描述呢？

     1911年，卢瑟福在α粒子散射实验的基础上，提出一个惊人的想法。原子的大小在10的-10m的尺度，但是在它的核心的位置，10的-15m的尺度存在着一个密度极大的物体，而剩下的空间是被电子占据，基本上都是空荡荡的。这个核心的存在被称为原子核，占了原子绝大部分的质量，以及所有的正电荷。

    所以原子的中心，孤零零的悬浮着一个原子核，这样的图景超出当时科学家的预料。因为在经典物理的观念下，电子围绕一个正电荷的核心旋转，会非常迅速地就掉入到原子核里，这个原子核根本就不可能稳定。

     1913年，玻尔对原子核外的电子提出了新的观点，认为电子只能处于定态，这是一个非常重要的突破。但是为什么会这样？就不清楚了。不过在这里，搞清楚了一件事情。就是电子的运动本身，也是量子化的，几乎和能量的量子化是一回事情。

     当然，问题比这更复杂。1905年，爱因斯坦针对光电效应，提出了光的量子化的概念，随后提出光的波粒二象性，即光同时以波和粒子的两种方式而存在。这个想法遭到了当时绝大部分科学家的反对。

     到了1925年，海森堡、狄拉克和薛定谔一同创建了量子力学，才给出了描述微观世界物体行为的准确描述，但是这个理论无法理解，遭到了爱因斯坦的反对。

     但是理论是准确的，所以很快就快速的发展起来，被应用到各种领域。

     对于原子核来说，就是找到描述这个系统的哈密顿量，然后进行计算求解。

     什么是哈密顿量呢？就是系统的能量。因为原子核可以看做是与外界隔绝的，所以能量是守恒的，这在处理起来的时候更容易。

     也就是说，我要找到一种方式，来描述原子核的能量。这看起来太简单了，比如一个简谐振子，它的能量就是它的动能加上弹性势能，很容易写下来。但是对于原子核来说，这个事情就变得非常复杂了。

     1932年查德威克发现中子以后，研究者才意识到原子核是由质子和中子构成的。质子数和中子数变化很大，所以原子核实际上也有很多种。按照一般的写能量的方式，我们需要把质子和中子的动能先写下来。这里边有一个问题，就是原子核的尺度非常小，所以可能需要考虑相对论效应，就是说当粒子的速度接近光速的时候，以前的动能的表达式就不好用了，这个到以后用到的时候再说。

     问题是质子和中子之间的相互作用是什么？这是个困难的问题。后来我们才知道，质子和中子不是基本粒子，可以再分，质子和中子都是由叫做夸克的更小的粒子构成的。而夸克之间的相互作用非常奇特，被一种叫做量子色动力学的理论描述，当夸克之间的距离变大的时候，作用会变得更强！这就有点反传统了。

     所以夸克在距离非常近的时候，作用反而很弱，彼此是自由的，而距离比较远的时候，就会彼此束缚，作用非常强，我们至今也不是很清楚如何准确的来描述。

     所以质子和中子之间的相互作用，可以被看成是一种夸克之间作用的剩余作用，但是非常复杂，以至于到今天依然不是完全清楚。当然在这个方向上也是有非常多的进展的，研究者讨论了各种可能的相互作用形式，然后用来解释原子核的低能性质。

     但是一个重要的问题是，这样一个量子多体的问题，即使我们把质子和中子的动能以及彼此相互作用的精确形式都搞清楚了，我们也求解不了，计算过度复杂。

     所以核结构的研究就是，看起来很简单，但是非常复杂，要解决各种问题。这也导致，一些经验并不足以帮助我们理解核结构的性质，在一些时候反而阻碍了我们的理解。