原子核與粒子是物質(zhì)結構的最微觀(guān)層次，包含了豐富的內秉自由度與多種類(lèi)的基本相互作用，儲存著(zhù)宇宙間絕大部分能量。100年來(lái)，核物理與粒子物理一直是物質(zhì)科學(xué)的最前沿，其中三分之一以上的研究成果獲得了諾貝爾物理學(xué)獎，并對人類(lèi)的生存與發(fā)展、國家的地位與安全產(chǎn)生了重大影響。
以殼模型和集體模型為代表的傳統核物理，其實(shí)驗基礎僅僅是核素圖上穩定線(xiàn)附近幾百個(gè)核素的基態(tài)和低激發(fā)、低角動(dòng)量下的核性質(zhì)。沿同位旋自由度的研究表明，核素可以擴大到約8000個(gè)。遠離穩定線(xiàn)核素表現出一系列奇特性質(zhì)，例如具有中子暈、質(zhì)子暈、中子皮和質(zhì)子皮等。沿角動(dòng)量自由度的研究表明原子核可以有超形變、巨超形變。傳統核結構模型所依據的核的飽和性、不可壓縮性、幻數、深束縛能級結構、束縛態(tài)與速續態(tài)的分離等核的基本性質(zhì)發(fā)生了顯著(zhù)的變化，從而提出了對原子核物理學(xué)基礎理論作根本性變革的要求。
最近十幾年世界范圍的放射性束流線(xiàn)的發(fā)展為傳統核物理的突破提供了嶄新的實(shí)驗條件和方法，國際上普遍認為10至20年內該領(lǐng)域將產(chǎn)生重大突破。原子核物理和粒子物理交*產(chǎn)生了強子物理這一新的學(xué)科前沿。美國、歐洲及日本在這方面投入了巨資，21世紀初，隨著(zhù)新一代高能重離子加速器的建成并投入運行，會(huì )取得一系列重要成果。
極端條件下的原子核
極端條件下各層次物質(zhì)規律的認識是當今自然科學(xué)的前沿，在原子核層次上有強子物理、超重核、放射性束物理、核物質(zhì)相變、高自旋態(tài)及用重離子束在物質(zhì)中產(chǎn)生高能量密度等前沿論題。原子核物理研究核的結構、反應、衰變，以研究原子核微觀(guān)世界的運動(dòng)規律為對象，一直處在物質(zhì)科學(xué)研究的前沿。
隨著(zhù)加速器技術(shù)和探測器技術(shù)的迅速發(fā)展，人們可在原子核這一物質(zhì)微觀(guān)結構層次產(chǎn)生有關(guān)溫度、密度、質(zhì)量、自旋、同位旋等方面的極端條件。正在激發(fā)能、角動(dòng)量、同位旋、核密度和能量密度等這些自由度內不斷開(kāi)拓新的領(lǐng)域。現階段人們可達到如下一些原子核的極端條件。
其一是大質(zhì)量高原子序數。人們曾預言超重穩定島在Z=114，N=184（Z，N分別是原子核中的質(zhì)子數和中子數），或在更重區域,而自然界最重的同位素是鈾238（Z=92，N=146）。最近，美國勞倫斯－伯克利實(shí)驗室（LBL）合成了 Z=118，N=175的超重核素。
其二為高自旋。以裂變位壘等于零為條件，在A(yíng)=130（A=Z＋N）左右最高可達95h。以庫侖位壘為8兆電子伏為條件，在A(yíng)=140左右最高約可達70h。高自旋的原子核可發(fā)現有超形變，長(cháng)軸與短軸之比為1∶2；并預言有巨超形變，長(cháng)軸與短軸之比為1∶3。
其三是高同位旋。在中子滴線(xiàn)、質(zhì)子滴線(xiàn)直到Z=10都已達到高同位旋，但對重核、中重核，特別是豐中子一側還差得較遠。
高能加速器還可產(chǎn)生高密度和高能量的原子核。
在極端條件下的原子核物理的研究發(fā)現了一系列的新現象，使原子核物理面臨根本性的挑戰和突破。
核物質(zhì)相變和夸克－膠子等離子體
研究核內非核子自由度性質(zhì)的影響，探索是否存在新的物質(zhì)形態(tài)即夸克－膠子等離子體及夸克－膠子對核的效應，并發(fā)展量子色動(dòng)力學(xué)，這方面的研究也將檢驗現有核物理和粒子物理學(xué)科中的各種理論，探索新的對稱(chēng)性、動(dòng)力學(xué)規律和極端條件下的量子多體理論，該研究方向正在和高能物理的研究發(fā)生交*。
理論計算的核物質(zhì)相圖預言，隨能量（溫度）和離子密度增長(cháng)，核物質(zhì)會(huì )發(fā)生液氣相變，退禁閉手征相變，夸克－膠子退禁閉相變。在實(shí)驗上探索這些相變是當今極端條件下核物理研究的重要前沿。2000年美國布魯克黑文國家實(shí)驗室的相對論重離子對撞機上實(shí)現了每核子100～200吉電子伏的197Au和197Au的對撞，研究在這種極高能量重離子對撞中是否產(chǎn)生了夸克－膠子等離子體成了熱點(diǎn)。目前這種超相對論的重離子碰撞也是地球上模擬宇宙大爆炸初期物理過(guò)程的唯一方法。
核物質(zhì)相變和核物質(zhì)狀態(tài)方程緊密相關(guān)，有關(guān)熱密核的產(chǎn)生和衰變、集體流、核物質(zhì)的液氣相變，以及和同位旋相關(guān)的核物質(zhì)狀態(tài)方程，雖然作了大量研究，核物質(zhì)液氣相變的關(guān)系尚不清楚。德國國家重離子研究中心（GSI）實(shí)驗室作了實(shí)驗測量，其核物質(zhì)溫度曲線(xiàn)在核溫度4～5兆電子伏顯示的平臺表明，可能存在核物質(zhì)的液氣相變，但是學(xué)術(shù)界還存在爭論。
用重離子碰撞和輸運理論來(lái)研究重離子核反應機制，也可幫助尋找放射性束最佳產(chǎn)生途徑及最佳新核素和超重元素產(chǎn)生的途徑。
用高能重離子束在物質(zhì)中還可產(chǎn)生高能量密度。目前已可用相對論能量重離子加速器產(chǎn)生高強度束流脈沖，這種高能高強度重離子束轟擊靶材料，如鉛靶，可使靶材料中沉積大量能量，使鉛靶膨脹2至3倍，同時(shí)在表面產(chǎn)生高溫等離子體。因此用重離子束可研究等離子體物理和凝聚態(tài)物理。利用激光可能通過(guò)慣性約束實(shí)現核熔合，如氘氚熔合實(shí)現聚變點(diǎn)火一樣，重離子或重離子加激光可能是慣性約束實(shí)現聚變點(diǎn)火的另一途徑。
超重元素和新核素的探索
從最輕的1號元素氫開(kāi)始直到用于核電站和核武器的原料的第92號元素鈾，人們已有所知，但比鈾更重的元素，在自然界不存在。深入研究表明，原子核為了維持各種基本相互作用力的平衡，質(zhì)子數目不能無(wú)限增加，大約超過(guò)110以后的穩定原子核就不能存在了。但在質(zhì)子或中子數目為被稱(chēng)作幻數的2、8、20、28、50、82、126等的時(shí)候，原子核表現出特別的穩定性。科學(xué)家預言還可能存在114號元素或126號元素及其附近的元素，稱(chēng)作超重核。進(jìn)軍超重核，合成新元素就成了科學(xué)家?jiàn)^斗的重要目標。
尋找新元素這個(gè)誘人的目標刺激了許多科學(xué)家努力進(jìn)行大量實(shí)驗。通過(guò)粒子加速器和復雜的探測器，科學(xué)家合成了許多新的元素。美國、俄羅斯、德國等科學(xué)家在這方面展開(kāi)了競爭。目前，聯(lián)合國教科文組織下屬的純粹和應用物理學(xué)會(huì )與純粹和應用化學(xué)學(xué)會(huì )對109號以?xún)鹊暮铣稍剡M(jìn)行了確認和命名。美國科學(xué)家麥克米倫（E.M.McMillan）和西博格（G.T.Seaborg）由于合成超鈾元素方面的貢獻獲得諾貝爾化學(xué)獎。2000年美國加州大學(xué)LBL宣布合成了超重118號元素的三個(gè)原子，并測到了它們的6代α衰變，同時(shí)也宣布合成了116號元素，在世界上引起轟動(dòng)。俄羅斯杜布納核反應實(shí)驗室DUBNA宣布合成了114號元素。德國GSI實(shí)驗室合成了112號元素，2000年GSI合成113號元素失敗。這些實(shí)驗需要驗證，也需要合成更多超重核素。最近有人預言Z=126是下一個(gè)可存在的超重核，對超重元素化學(xué)性質(zhì)是否符合周期表規律正在展開(kāi)深入的研究。
對于同一個(gè)元素，由于中子數不同形成了許多種不同的同位素或稱(chēng)核素，它們的化學(xué)性質(zhì)相同，但有些物理性質(zhì)相差很大，例如它們可從穩定的到僅有微秒或更短時(shí)間的壽命，這些不穩定的核素通過(guò)一系列的放射性衰變最后變成穩定核素。每種元素可以有的同位素的數目不同，從幾個(gè)到幾十個(gè)，科學(xué)家們已能計算出可以存在的核素總數目約八千多個(gè)，而自然界僅存在幾百個(gè)核素。科學(xué)家們用各種核反應已合成了兩千多個(gè)核素。
由于合成新的核素對于驗證已有的知識和發(fā)展新知識有重要意義，且有的新核素還有巨大的應用價(jià)值，科學(xué)家們在最近幾十年中為此作出了巨大的努力。如法國科學(xué)家約里奧－居里夫婦因發(fā)明人工制造放射性同位素技術(shù)獲諾貝爾化學(xué)獎；美國科學(xué)家費米因發(fā)現中子轟擊產(chǎn)生新放射性元素獲諾貝爾物理獎；發(fā)明回旋加速器并用以合成了世界上第一個(gè)人造元素的美國科學(xué)家勞倫斯也獲得了諾貝爾物理獎。
最近對輕的新核素11Li的研究表明，其外層兩個(gè)中子形成中子暈，使11Li的空間大小和很重的208Pb差不多，這種暈核有一系列新的特性。以11Li為代表的中子暈核，以6He、8He為代表的中子皮核，以及質(zhì)子暈、質(zhì)子皮的發(fā)現，軟模式巨共振的發(fā)現，直到六個(gè)中子的巨中子暈核的預言等，使這一領(lǐng)域吸引了世界上眾多科學(xué)家。
由于一批放射性核束線(xiàn)投入運轉已經(jīng)幾年，一批新的或更新改造的放射性束線(xiàn)即將投入運轉，這方面研究的實(shí)驗條件大大改進(jìn)。這個(gè)領(lǐng)域將在近期會(huì )有重大發(fā)現是該學(xué)科領(lǐng)域內科學(xué)家的共識，我國的科學(xué)家在這個(gè)領(lǐng)域作出了很多貢獻。
中國科學(xué)院近代物理所、上海原子核研究所和中國原子能科學(xué)院在最近十幾年中共合成了二十來(lái)個(gè)新核素，并對其中有些新核素的性質(zhì)進(jìn)行了較細致的研究。目前我國科學(xué)家正在這方面繼續努力，并在積極創(chuàng )造條件參與到國際上尋找超重新核素的研究中。
科技部國家重大基礎研究發(fā)展規劃項目已在2000年把這方面的研究列入計劃，相信我國科學(xué)家將在新世紀為這方面的研究作出貢獻。
新元素的邊界、新的核素的邊界；中子滴線(xiàn)核、質(zhì)子滴線(xiàn)核及超重核的性質(zhì),探索它們的新的衰變方式和其他核性質(zhì);遠離穩定線(xiàn)即高同位旋條件下原子核的性質(zhì);高速轉動(dòng)下核的性質(zhì)，超形變的進(jìn)一步深入研究和巨超形變的尋找; 常溫低密度及豐中子密度下的核物質(zhì)性質(zhì)等，一直是核物理學(xué)科的重要研究方向，這些重要研究方向將檢驗和發(fā)展現在的原子核結構理論。
天體核反應研究
核物理近年來(lái)引人注目的另一方面發(fā)展，是與天體物理交*形成的核天體物理新領(lǐng)域。從宇宙起源、天體演化到現今天體上存在的各種核素的豐度的解釋?zhuān)急仨氁院宋锢淼臄祿屠碚撟鳛榛疽罁唬祗w物理中提出的一系列問(wèn)題也反過(guò)來(lái)促進(jìn)了核物理的發(fā)展。這當中已經(jīng)而且會(huì )繼續產(chǎn)生令人振撼的研究成果。
核天體物理是微觀(guān)物理與宇觀(guān)物理的交*，在國際上已形成新的研究前沿和熱點(diǎn)。宇宙形成和演化過(guò)程中，從大爆炸經(jīng)歷r、rp和s等各種核反應及衰變的過(guò)程，產(chǎn)生從輕到重各種核素，核反應和衰變是產(chǎn)生各種核素的唯一方式。
核天體物理就是用人工核反應的方法，測量天體演化中涉及的關(guān)鍵數據，以認識天體自然規律。系統地將實(shí)驗和理論結果用于天體物理的網(wǎng)絡(luò )計算，對太陽(yáng)系和宇宙環(huán)境的元素豐度進(jìn)行預言，并通過(guò)與天文觀(guān)測結果的比較，為天體演化提供更準確的圖像。
實(shí)際的核素形成路徑往往通過(guò)遠離穩定線(xiàn)區域，因此核天體物理的研究也離不開(kāi)放射性核束的條件，只是研究目標與天體物理相結合，從而在反應種類(lèi)、能區、探測條件等方面有特殊的選擇。
目前，國際上核天體物理正在研究的方向有：宇宙原初的合成過(guò)程研究；主序星和高溫天體環(huán)境中的氫燃燒；天體中比鐵還重的元素合成過(guò)程；太陽(yáng)高能中微子丟失的原因等。目前的研究只集中在穩定線(xiàn)附近和豐質(zhì)子區輕核。對豐中子核素，遠離穩定線(xiàn)中重豐質(zhì)子核素的反應和衰變對天體物理的影響還剛剛開(kāi)始研究。
在我國北京的HI－13串列加速器和蘭州的重離子加速器上建造的低能和中能放射性核束流線(xiàn)，也開(kāi)展了核天體物理實(shí)驗工作，并已取得了一些有價(jià)值的物理成果，例如，測量了若干對探討爆發(fā)性天體事件中的核合成有重要意義的熱核反應的截面，完成了2H(7Be,8B)n角分布的測量，并導出了7Be(p,γ)8B反應的天體物理S因子(該因子可將核物理測量的截面與天體物理觀(guān)測中微子多少聯(lián)系起來(lái)), 用獨立的方法證實(shí)了太陽(yáng)高能中微子丟失現象等。
中國科學(xué)家的重要研究
蘭州國家重離子加速器實(shí)驗室是我國中能重離子研究中心，在遠離穩定線(xiàn)核素合成和研究、重離子反應機制、重離子束應用研究等方面做出過(guò)出色成績(jì)。剛建成的具有創(chuàng )新設計特色和1990年代國際先進(jìn)水平的放射性束線(xiàn)RIBLL使我國的重離子物理研究在當前具有一定的國際競爭能力。
蘭州重離子加速器冷卻儲存環(huán)（HIRFL－CSR）大科學(xué)工程正在建設中，預期2005年投入使用時(shí)，某些性能方面在一定時(shí)間內可處于世界先進(jìn)水平。它將以放射性束物理、高溫高密條件下核物質(zhì)性質(zhì)和高離化態(tài)原子物理為主要研究方向，并開(kāi)展天體核物理、生命科學(xué)、材料科學(xué)方面的交*學(xué)科及應用研究，積極探索超重新元素、新核素的合成。
中國原子能研究科學(xué)院核物理研究所具有13兆伏串列加速器HI13，曾在亞位壘熔合、高自旋態(tài)的超形變、低能放射性核束線(xiàn)及核天體物理等方面做出過(guò)出色成績(jì)，該所正在進(jìn)行放射性核束裝置的設計。
HIRFLCSR將在中、高能重離子和放射性核束，北京HI13將在低能重離子放射性核束方面相互配合，相互促進(jìn)，大大推進(jìn)我國21世紀的核物理研究。
最近蘭州國家重離子加速器實(shí)驗室甘再?lài)热擞?2Ne束流轟擊241Au靶合成了105號元素的新核素259Ha，不但測到了α衰變能量和半衰期，而且為N=152形變殼的存在提供了新的實(shí)驗證據。他們正在謀略合成更重的新核素。
上海原子核所方德清和蔡翔舟等人，在HIRFL－RIBLL上發(fā)現了可能的質(zhì)子暈核27P和23Al。北京原子能科學(xué)研究院劉祖華等人，在HI13加速器上，用磁譜儀發(fā)現了13C的暈中子激發(fā)態(tài)。這些實(shí)驗結果和理論研究結合正在推動(dòng)我國在極端條件下的核物理研究的發(fā)展。
面向新世紀，可以預見(jiàn)，核物理除了在原子核這一層次會(huì )對原子核性質(zhì)的傳統認識產(chǎn)生根本性改革外，還將為大至宇宙演化，小到比原子核更深的微觀(guān)層次的粒子運動(dòng)提供重要的實(shí)驗，或用于驗證這些領(lǐng)域的重要理論。
原子核物理的基本概念和原子核物理研究中開(kāi)發(fā)的許多新技術(shù)曾在核能源、武器、射線(xiàn)應用產(chǎn)業(yè)等方面得到了廣泛使用，對人類(lèi)的生存與發(fā)展和國家的地位與安全發(fā)揮了重要作用。
在21世紀，以興建若干大科學(xué)工程和大型探測設備為標志，國際上核物理學(xué)科正在進(jìn)一步發(fā)展并面臨重大的突破，它將繼續對各國的國防、能源與交*學(xué)科的發(fā)展起重要的推動(dòng)作用。這些發(fā)展也是衡量綜合國力的一項標志。
