Des propriétés comme la forme et la désintégration sont utilisées pour étudier les noyaux atomiques.Les sondes de structure nucléaire sont des techniques expérimentales qui révèlent l'organisation interne des noyaux atomiques—leur forme, leur taille, et la manière dont les protons et les neutrons s'y arrangent. Le noyau est un système quantique à plusieurs corps où des comportements collectifs émergent de l'interaction forte, et sa structure détermine tout, de la stabilité nucléaire à la synthèse des éléments dans les étoiles. Sonder la structure nucléaire ne consiste pas seulement à cataloguer des isotopes ; cela teste les théories fondamentales de la chromodynamique quantique et éclaire les modèles d'étoiles à neutrons et de supernovae. Le défi est que les noyaux sont incroyablement petits (quelques femtomètres) et maintenus ensemble par la force la plus intense connue ; les sondes doivent donc être soigneusement conçues pour extraire des informations sans détruire le système.
Le domaine a commencé avec l'expérience de la feuille d'or de Rutherford en 1911, qui a révélé pour la première fois le noyau. Des sondes modernes utilisant la diffusion d'électrons ont été développées dans les années 1950 par Hofstadter, et les atomes antiprotoniques sont étudiés depuis les années 1970 au CERN.
Les sondes courantes incluent des expériences de diffusion, où des particules comme des électrons, des protons ou des pions sont tirées sur des noyaux et leurs schémas de déflexion révèlent les distributions de charge et de matière. Les méthodes spectroscopiques examinent les énergies des rayons gamma émis lorsque les noyaux passent d'un état quantique à un autre, lesquelles dépendent de la forme et de la déformation du noyau. Une technique particulièrement puissante utilise des antiprotons : lorsqu'un antiproton est capturé sur une orbite atomique autour d'un noyau, il sonde la surface nucléaire avec une grande précision, car ses niveaux d'énergie sont extrêmement sensibles à la distribution de charge nucléaire. D'autres sondes exploitent les taux de désintégration nucléaire, qui peuvent être influencés par le nuage électronique environnant—un phénomène utilisé pour étudier comment l'environnement nucléaire affecte les processus fondamentaux.
Les données sur la structure nucléaire sont essentielles pour concevoir des réacteurs nucléaires, des isotopes médicaux pour l'imagerie et la thérapie, et pour comprendre la nucléosynthèse dans les environnements stellaires.
Certains noyaux, comme le silicium-30, peuvent exister sous plusieurs formes à la fois—une superposition quantique de différentes déformations—ce qui a été découvert grâce à des mesures précises de leurs niveaux d'énergie.