原子核与粒子是物质结构的最微观层次，包含了丰富的内秉自由度与多种类的基本相互作用，储存着宇宙间绝大部分能量。100年来，核物理与粒子物理一直是物质科学的最前沿，其中三分之一以上的研究成果获得了诺贝尔物理学奖，并对人类的生存与发展、国家的地位与安全产生了重大影响。
以壳模型和集体模型为代表的传统核物理，其实验基础仅仅是核素图上稳定线附近几百个核素的基态和低激发、低角动量下的核性质。沿同位旋自由度的研究表明，核素可以扩大到约8000个。远离稳定线核素表现出一系列奇特性质，例如具有中子晕、质子晕、中子皮和质子皮等。沿角动量自由度的研究表明原子核可以有超形变、巨超形变。传统核结构模型所依据的核的饱和性、不可压缩性、幻数、深束缚能级结构、束缚态与速续态的分离等核的基本性质发生了显著的变化，从而提出了对原子核物理学基础理论作根本性变革的要求。
最近十几年世界范围的放射性束流线的发展为传统核物理的突破提供了崭新的实验条件和方法，国际上普遍认为10至20年内该领域将产生重大突破。原子核物理和粒子物理交*产生了强子物理这一新的学科前沿。美国、欧洲及日本在这方面投入了巨资，21世纪初，随着新一代高能重离子加速器的建成并投入运行，会取得一系列重要成果。
极端条件下的原子核
极端条件下各层次物质规律的认识是当今自然科学的前沿，在原子核层次上有强子物理、超重核、放射性束物理、核物质相变、高自旋态及用重离子束在物质中产生高能量密度等前沿论题。原子核物理研究核的结构、反应、衰变，以研究原子核微观世界的运动规律为对象，一直处在物质科学研究的前沿。
随着加速器技术和探测器技术的迅速发展，人们可在原子核这一物质微观结构层次产生有关温度、密度、质量、自旋、同位旋等方面的极端条件。正在激发能、角动量、同位旋、核密度和能量密度等这些自由度内不断开拓新的领域。现阶段人们可达到如下一些原子核的极端条件。
其一是大质量高原子序数。人们曾预言超重稳定岛在Z=114，N=184（Z，N分别是原子核中的质子数和中子数），或在更重区域,而自然界最重的同位素是铀238（Z=92，N=146）。最近，美国劳伦斯－伯克利实验室（LBL）合成了 Z=118，N=175的超重核素。
其二为高自旋。以裂变位垒等于零为条件，在A=130（A=Z＋N）左右最高可达95h。以库仑位垒为8兆电子伏为条件，在A=140左右最高约可达70h。高自旋的原子核可发现有超形变，长轴与短轴之比为1∶2；并预言有巨超形变，长轴与短轴之比为1∶3。
其三是高同位旋。在中子滴线、质子滴线直到Z=10都已达到高同位旋，但对重核、中重核，特别是丰中子一侧还差得较远。
高能加速器还可产生高密度和高能量的原子核。
在极端条件下的原子核物理的研究发现了一系列的新现象，使原子核物理面临根本性的挑战和突破。
核物质相变和夸克－胶子等离子体
研究核内非核子自由度性质的影响，探索是否存在新的物质形态即夸克－胶子等离子体及夸克－胶子对核的效应，并发展量子色动力学，这方面的研究也将检验现有核物理和粒子物理学科中的各种理论，探索新的对称性、动力学规律和极端条件下的量子多体理论，该研究方向正在和高能物理的研究发生交*。
理论计算的核物质相图预言，随能量（温度）和离子密度增长，核物质会发生液气相变，退禁闭手征相变，夸克－胶子退禁闭相变。在实验上探索这些相变是当今极端条件下核物理研究的重要前沿。2000年美国布鲁克黑文国家实验室的相对论重离子对撞机上实现了每核子100～200吉电子伏的197Au和197Au的对撞，研究在这种极高能量重离子对撞中是否产生了夸克－胶子等离子体成了热点。目前这种超相对论的重离子碰撞也是地球上模拟宇宙大爆炸初期物理过程的唯一方法。
核物质相变和核物质状态方程紧密相关，有关热密核的产生和衰变、集体流、核物质的液气相变，以及和同位旋相关的核物质状态方程，虽然作了大量研究，核物质液气相变的关系尚不清楚。德国国家重离子研究中心（GSI）实验室作了实验测量，其核物质温度曲线在核温度4～5兆电子伏显示的平台表明，可能存在核物质的液气相变，但是学术界还存在争论。
用重离子碰撞和输运理论来研究重离子核反应机制，也可帮助寻找放射性束最佳产生途径及最佳新核素和超重元素产生的途径。
用高能重离子束在物质中还可产生高能量密度。目前已可用相对论能量重离子加速器产生高强度束流脉冲，这种高能高强度重离子束轰击靶材料，如铅靶，可使靶材料中沉积大量能量，使铅靶膨胀2至3倍，同时在表面产生高温等离子体。因此用重离子束可研究等离子体物理和凝聚态物理。利用激光可能通过惯性约束实现核熔合，如氘氚熔合实现聚变点火一样，重离子或重离子加激光可能是惯性约束实现聚变点火的另一途径。
超重元素和新核素的探索
从最轻的1号元素氢开始直到用于核电站和核武器的原料的第92号元素铀，人们已有所知，但比铀更重的元素，在自然界不存在。深入研究表明，原子核为了维持各种基本相互作用力的平衡，质子数目不能无限增加，大约超过110以后的稳定原子核就不能存在了。但在质子或中子数目为被称作幻数的2、8、20、28、50、82、126等的时候，原子核表现出特别的稳定性。科学家预言还可能存在114号元素或126号元素及其附近的元素，称作超重核。进军超重核，合成新元素就成了科学家奋斗的重要目标。
寻找新元素这个诱人的目标刺激了许多科学家努力进行大量实验。通过粒子加速器和复杂的探测器，科学家合成了许多新的元素。美国、俄罗斯、德国等科学家在这方面展开了竞争。目前，联合国教科文组织下属的纯粹和应用物理学会与纯粹和应用化学学会对109号以内的合成元素进行了确认和命名。美国科学家麦克米伦（E.M.McMillan）和西博格（G.T.Seaborg）由于合成超铀元素方面的贡献获得诺贝尔化学奖。2000年美国加州大学LBL宣布合成了超重118号元素的三个原子，并测到了它们的6代α衰变，同时也宣布合成了116号元素，在世界上引起轰动。俄罗斯杜布纳核反应实验室DUBNA宣布合成了114号元素。德国GSI实验室合成了112号元素，2000年GSI合成113号元素失败。这些实验需要验证，也需要合成更多超重核素。最近有人预言Z=126是下一个可存在的超重核，对超重元素化学性质是否符合周期表规律正在展开深入的研究。
对于同一个元素，由于中子数不同形成了许多种不同的同位素或称核素，它们的化学性质相同，但有些物理性质相差很大，例如它们可从稳定的到仅有微秒或更短时间的寿命，这些不稳定的核素通过一系列的放射性衰变最后变成稳定核素。每种元素可以有的同位素的数目不同，从几个到几十个，科学家们已能计算出可以存在的核素总数目约八千多个，而自然界仅存在几百个核素。科学家们用各种核反应已合成了两千多个核素。
由于合成新的核素对于验证已有的知识和发展新知识有重要意义，且有的新核素还有巨大的应用价值，科学家们在最近几十年中为此作出了巨大的努力。如法国科学家约里奥－居里夫妇因发明人工制造放射性同位素技术获诺贝尔化学奖；美国科学家费米因发现中子轰击产生新放射性元素获诺贝尔物理奖；发明回旋加速器并用以合成了世界上第一个人造元素的美国科学家劳伦斯也获得了诺贝尔物理奖。
最近对轻的新核素11Li的研究表明，其外层两个中子形成中子晕，使11Li的空间大小和很重的208Pb差不多，这种晕核有一系列新的特性。以11Li为代表的中子晕核，以6He、8He为代表的中子皮核，以及质子晕、质子皮的发现，软模式巨共振的发现，直到六个中子的巨中子晕核的预言等，使这一领域吸引了世界上众多科学家。
由于一批放射性核束线投入运转已经几年，一批新的或更新改造的放射性束线即将投入运转，这方面研究的实验条件大大改进。这个领域将在近期会有重大发现是该学科领域内科学家的共识，我国的科学家在这个领域作出了很多贡献。
中国科学院近代物理所、上海原子核研究所和中国原子能科学院在最近十几年中共合成了二十来个新核素，并对其中有些新核素的性质进行了较细致的研究。目前我国科学家正在这方面继续努力，并在积极创造条件参与到国际上寻找超重新核素的研究中。
科技部国家重大基础研究发展规划项目已在2000年把这方面的研究列入计划，相信我国科学家将在新世纪为这方面的研究作出贡献。
新元素的边界、新的核素的边界；中子滴线核、质子滴线核及超重核的性质,探索它们的新的衰变方式和其他核性质;远离稳定线即高同位旋条件下原子核的性质;高速转动下核的性质，超形变的进一步深入研究和巨超形变的寻找; 常温低密度及丰中子密度下的核物质性质等，一直是核物理学科的重要研究方向，这些重要研究方向将检验和发展现在的原子核结构理论。
天体核反应研究
核物理近年来引人注目的另一方面发展，是与天体物理交*形成的核天体物理新领域。从宇宙起源、天体演化到现今天体上存在的各种核素的丰度的解释，都必须以核物理的数据和理论作为基本依据之一，而天体物理中提出的一系列问题也反过来促进了核物理的发展。这当中已经而且会继续产生令人振撼的研究成果。
核天体物理是微观物理与宇观物理的交*，在国际上已形成新的研究前沿和热点。宇宙形成和演化过程中，从大爆炸经历r、rp和s等各种核反应及衰变的过程，产生从轻到重各种核素，核反应和衰变是产生各种核素的唯一方式。
核天体物理就是用人工核反应的方法，测量天体演化中涉及的关键数据，以认识天体自然规律。系统地将实验和理论结果用于天体物理的网络计算，对太阳系和宇宙环境的元素丰度进行预言，并通过与天文观测结果的比较，为天体演化提供更准确的图像。
实际的核素形成路径往往通过远离稳定线区域，因此核天体物理的研究也离不开放射性核束的条件，只是研究目标与天体物理相结合，从而在反应种类、能区、探测条件等方面有特殊的选择。
目前，国际上核天体物理正在研究的方向有：宇宙原初的合成过程研究；主序星和高温天体环境中的氢燃烧；天体中比铁还重的元素合成过程；太阳高能中微子丢失的原因等。目前的研究只集中在稳定线附近和丰质子区轻核。对丰中子核素，远离稳定线中重丰质子核素的反应和衰变对天体物理的影响还刚刚开始研究。
在我国北京的HI－13串列加速器和兰州的重离子加速器上建造的低能和中能放射性核束流线，也开展了核天体物理实验工作，并已取得了一些有价值的物理成果，例如，测量了若干对探讨爆发性天体事件中的核合成有重要意义的热核反应的截面，完成了2H(7Be,8B)n角分布的测量，并导出了7Be(p,γ)8B反应的天体物理S因子(该因子可将核物理测量的截面与天体物理观测中微子多少联系起来), 用独立的方法证实了太阳高能中微子丢失现象等。
中国科学家的重要研究
兰州国家重离子加速器实验室是我国中能重离子研究中心，在远离稳定线核素合成和研究、重离子反应机制、重离子束应用研究等方面做出过出色成绩。刚建成的具有创新设计特色和1990年代国际先进水平的放射性束线RIBLL使我国的重离子物理研究在当前具有一定的国际竞争能力。
兰州重离子加速器冷却储存环（HIRFL－CSR）大科学工程正在建设中，预期2005年投入使用时，某些性能方面在一定时间内可处于世界先进水平。它将以放射性束物理、高温高密条件下核物质性质和高离化态原子物理为主要研究方向，并开展天体核物理、生命科学、材料科学方面的交*学科及应用研究，积极探索超重新元素、新核素的合成。
中国原子能研究科学院核物理研究所具有13兆伏串列加速器HI13，曾在亚位垒熔合、高自旋态的超形变、低能放射性核束线及核天体物理等方面做出过出色成绩，该所正在进行放射性核束装置的设计。
HIRFLCSR将在中、高能重离子和放射性核束，北京HI13将在低能重离子放射性核束方面相互配合，相互促进，大大推进我国21世纪的核物理研究。
最近兰州国家重离子加速器实验室甘再国等人用22Ne束流轰击241Au靶合成了105号元素的新核素259Ha，不但测到了α衰变能量和半衰期，而且为N=152形变壳的存在提供了新的实验证据。他们正在谋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上发现了可能的质子晕核27P和23Al。北京原子能科学研究院刘祖华等人，在HI13加速器上，用磁谱仪发现了13C的晕中子激发态。这些实验结果和理论研究结合正在推动我国在极端条件下的核物理研究的发展。
面向新世纪，可以预见，核物理除了在原子核这一层次会对原子核性质的传统认识产生根本性改革外，还将为大至宇宙演化，小到比原子核更深的微观层次的粒子运动提供重要的实验，或用于验证这些领域的重要理论。
原子核物理的基本概念和原子核物理研究中开发的许多新技术曾在核能源、武器、射线应用产业等方面得到了广泛使用，对人类的生存与发展和国家的地位与安全发挥了重要作用。
在21世纪，以兴建若干大科学工程和大型探测设备为标志，国际上核物理学科正在进一步发展并面临重大的突破，它将继续对各国的国防、能源与交*学科的发展起重要的推动作用。这些发展也是衡量综合国力的一项标志。
