原子核物理的分支。近30年来原子核物理学的一个活跃的前沿领域。重离子束也用来研究原子、分子以及凝聚态的结构和性质。

20世纪50年代以前，利用氦核（α粒子）、氚核、氘核、质子、中子、电子和γ射线等轰击原子核，研究核的结构和演化规律，取得了很大成就。20世纪50年代末开始加速碳、氮、氧的原子核，进行弹性散射和少数核子转移反应研究。从60年代中期开始，重离子核反应逐步成为获得人工合成超铀元素的主要手段，先后合成了第102～109、110、111、112、114和116号元素。从20世纪70年代末开始，重离子核反应已成为原子核高自旋态结构研究的主要途径，发现了诸如核的回弯现象、超形变、形状共存、旋称反转、手征二重带和磁转动等现象。20世纪80年代中期开始，重离子核反应又被用来产生放射性核束，合成和研究了一大批质量数较小的远离β稳定线的核素，并发现了新的衰变模式（β延发质子、β延发裂变、单质子放射性、双质子放射性）和核的晕结构（见晕核）。同时，利用中高能重离子束对核物质的性质（状态方程）、核物质的液气相变以及夸克胶子等离子体的产生等进行了研究。

根据理论估计，可能存在的核素有6000多种。多年来实验中发现并研究了近3000种核素，其中大部分都是处于β稳定线附近的核。也就是说，还可能有3000多种远离β稳定线的核素有待进一步探索。对于这些核素性质的研究，将大大丰富对核结构的了解。

20世纪60年代后期，根据已有的核理论，推断质子数为114、中子数为184附近可能存在着一系列寿命较长的原子核，即超重核，遂预测了其物理、化学性质，并提出了合成它们的各种途径。在这种理论预言的推动下，有条件的实验室改装已有的加速器或筹建新的加速器（如美国的LBNL、德国的GSI、俄罗斯的Dubuna、法国的GANIL、日本的RIKEN和中国的Lanzhou等）来加速重离子，核子能量从几兆电子伏到100兆电子伏，用来研究重离子核反应和合成超重核。尽管这种努力在合成预言的超重核上还没有取得肯定的结果，但重离子核反应的研究却取得了重要的进展，开辟了一系列对核结构和核反应机制以及对核物质性质研究有重要意义的研究领域。应用重离子束研究原子、分子、固体及应用于生物和医学等学科领域的工作也逐步开展起来，形成了一些交叉学科研究方向，受到了人们的普遍重视。

重离子是具有结构的复合粒子，所引起的核反应同轻粒子核反应有很大的差别。可以选择各种靶核和弹核的组合，这是重离子核反应的一个独特的优点。与轻粒子相比，重离子相对运动的德布罗意波长很短，典型的量级为10⁻¹⁶米，比原子核的直径小很多，因此重离子碰撞过程的典型情况可利用经典粒子碰撞的轨道图像来描述（图1），、和分别为临界轨道角动量、最大轨道角动量和掠射轨道角动量，、、分别为各自的出射角度。重离子碰撞过程的反应机制可按照碰撞参量或轨道角动量来进行分类，即随着或的减少，两个原子核的相互作用由表面到内部，顺次发生弹性散射或非弹性散射（主要是库仑激发）或转移反应（一般将弹性散射、非弹性散射和转移反应统称为准弹性散射）、重离子深度非弹性碰撞和全熔合反应（有时随着的减小，会先发生全熔合反应，后发生深度非弹性碰撞）。它们的反应截面随着碰撞系统轨道角动量值的分布的典型情况可用图2来描述，、、、和分别为复合核反应、深度非弹性碰撞、直接核反应、弹性散射和库仑激发的截面，为渐进波数。

图1　重离子碰撞的典型情况的经典描述

图2　反应截面随角动量的分布

①准弹性散射。重离子弹性散射基本上是库仑散射和黑体衍射的组合，如果用核反应光学模型计算弹性散射角分布和吸收截面，则可获得同实验基本符合的结果。重离子的非弹性散射是研究原子核集体运动的一种途径。重离子转移反应中，从一个到多个核子转移都有可能发生，从而提供了研究二个、三个、四个乃至更多的核子结合成大块核物质转移的可能性。这种研究在理论处理上有不少困难，如重离子核反应的开道问题、多步转移、反冲效应、有限力程效应等，导致数值计算繁难，均有待逐步解决。

②深度非弹性碰撞。处于少数自由度参与的直接核反应和全熔合反应之间的过渡区域，是一种非平衡态的过程。实验上已揭示出各种宏观物理量（如能量、质量、电荷、角动量、中子质子比、角分布）随相互作用时间而弛豫的一些规律，以及它们之间的一些相互制约关系。理论上用非平衡态统计理论对上述现象进行了一些计算和解释。

③弹核碎裂反应。中高能重离子轰击靶核时，产生许多速度与弹核相近的类弹核碎片，其质量（电荷）分布可用理论进行较好的描述。这种反应是产生放射性核束的主要反应之一，也是产生和研究远离β稳定线奇异核素的主要途径。

④全熔合反应。当时体系发生全熔合反应。全熔合是很复杂的动力学过程，库仑位垒以上能区简单的半经典模型可给出截面随入射粒子能量变化的基本特征。但当能量很高或很低以及两个重核相碰时简单的模型就不适用，其他因素对全熔合反应机制的影响还有待进一步研究。近库仑位垒的全熔合反应是合成超重元素的主要反应机制。

⑤多重碎裂反应。中高能区重离子碰撞时出现多重碎裂反应，特征是反应产物中有相当数量的中等质量碎片。随着入射能增加，产物核的电荷分布重心将逐步向低端移动，直至产物几乎全部是轻粒子。理论上可对其进行定性的描述，定量的描述还有待于进一步研究。

重离子核反应可产生非常高的角动量的核激发态，加之探测器及探测技术的进步，大大促进了原子核的高自旋态性质研究的发展。实验和理论研究表明，当核的自旋逐步增大时，由于壳层效应、对力、科里奥利力和离心力之间的竞争导致原子核内部结构发生一系列变化，出现了许多新现象，如角动量顺排和带交叉、单粒子运动和集体运动的关联、全顺排和带终结、形状共存和形态演化、超形变和巨超形变、原子核超导性的逐渐破坏、磁转动带、全同带、原子核的C₄对称性及高同质异能态等。理论预言，具有极端中子质子比或极高自旋的原子核很可能具有一些更新的物理现象，如新的形变区、新奇异形变和新激发模式等。这需要进一步利用不断发展的探测设备和放射性核束进行深入研究和探索。

放射性核束的产生有两种方法：一是中高能弹核轰击靶核而碎裂，利用在线电磁装置将所需碎裂产物核分离出来形成束流；二是将初级核反应产物电离后经在线同位素分离器分离，再加速而形成束流。21世纪以来，利用放射性核束研究原子核的结构、性质随系统同位旋的变化（通常称为放射性核束物理）已成为重离子核物理的重要前沿研究领域之一。现已发现了原子核的奇特结构，如中子（质子）晕、中子（质子）皮、奇特衰变模式（如双质子衰变，β延发粒子衰变），以及远离核中幻数的消失和新的核激发模式（软偶极巨共振）等。利用放射性核束还从实验上研究了核反应的同位旋效应。放射性核束不仅可用来合成大量远离β稳定线的奇特核，并可系统地研究它们的性质、结构和反应动力学，还有希望用来合成超重核，达到理论预言的超重核稳定岛中心。随着远离β稳定线程度的增加，原子核的结构和性质的变化规律、质子滴线和中子滴线的位置、能否合成新的超重元素等，都需要进一步的理论和实验探索。

中高能重离子与靶核碰撞或相互对撞可产生高密度、高温度核物质或强子物质。中高能重离子核反应过程是非常复杂的动力学过程，特别是在高能重离子碰撞中，能够在很短时间内将大量能量集中在很小的空间范围内，产生大量的介子和奇异粒子，非核子自由度变得重要。因此，利用中高能重离子碰撞可探索核物质更深层次的微观结构和性质，并理解和检验基本粒子间的强相互作用。研究内容包括：确立处于极端条件下核物质的状态方程、探索可能的核物质相变（如液气相变等）、寻找新的物理现象和物质形态（如介子凝聚态等）、研究核物质环境中介子性质的介质效应等。20世纪80年代以来，一些中高能重离子加速装置（如德国GSI的SIS和美国BNL的RHIC等）能够将重离子加速到很高的能量，促进了中高能核物理的发展。近20年来，理论上发展了描述中高能重离子碰撞过程的输运模型，如BUU模型、QMD模型、相对论性BUU模型、核内级联模型、相对论流体动力学模型等；实验上探测了高温高密核物质的一些可能观测量，如集体流、出射粒子和碎片多重性及产额分布、粒子–粒子关联等。这一领域还存在许多有争议的问题，如对核温度的理解和测量、多重碎裂机制、液气相变的存在和性质等。

在对撞机CERN/SPS、BNL/RHIC和将要在CERN的LHC/ALICE上的超相对论重离子碰撞，可探索强子–夸克胶子等离子体和验证退禁闭和手征对称性完全恢复等研究。已提出探测夸克胶子等离子体（QGP）的许多信号，如J/ψ压低、奇异粒子增强、电荷的涨落、高横动量压低、高能直接光子和喷注淬灭等信号，但都没有肯定的结论。该领域是核物理的前沿，正引起人们的关注。

深入进行重离子核物理基础研究的同时，重离子在其他学科中也得到广泛的应用，并形成了一些新的交叉学科研究方向。

①原子物理学中的应用。重离子特别是高电荷态重离子，为研究强场中的QED效应、多电子体系的原子结构等提供了极其有利的条件，已形成了原子物理学的新分支——高电荷态原子物理。

②材料科学中的应用。重离子与凝聚态物质的相互作用研究已成为一个重要的交叉学科。重离子束是改变材料表面性质，研制特殊功能新材料的有效工具。重离子束也是模拟研究裂变反应堆或聚变反应堆中释热元件、结构材料的辐照损伤和航天器件的单粒子效应的重要手段。

③生物和医学中的应用。同其他射线相比，重离子在生物体中线能量转移值高，可精确地控制剂量及射程，定位性能好，射程末端释放的能量集中且生物学效应高，能使杀伤效果集中在需要照射的局部范围内，而减小对周围健康组织的损伤，因此已成为先进的放射治疗癌症的方法。重离子辐照诱变育种也得到了较广泛的应用和明显的效果。