迄今為止，已發現的穩定原子核265種，60種天然放射性核，人工合成有2400種核，然而在核素圖上，由中子滴落線、質子滴落線及自裂變半衰期大於1μs的限制邊界內所包圍的核素應有8000余種，這表明有壹大半核尚未被人們認識。根據如今的情況，考慮到可能的生成與鑒別方法，估計還可能被生成或鑒別600種左右的新核素，它們是世界各地有關實驗室不惜耗費重金搜索的目標。
然而，隨著遠離β穩定線，未知新核素的生成截面也越來越小，壽命越來越短，使分離、生成和鑒別的難度越來越大。遠離穩定線原子核研究在核物理學中占有特殊重要的地位。首先，這些核素具有壹系列獨特的性質，例如它們的中子、質子數之比異常，有的核結合能極大，有新的衰變方式，如高能β衰變、β延遲粒子發射、β延遲衰變、表面結團結構、形狀***存以及中子滴落線附近核的反常大半徑等。對這些獨特現象的研究，有助於檢驗和發展現有的原子核理論。此外，現有的核結構模型，大部分是在β穩定線附近幾百種核研究基礎上建立起來的，如液滴模型、獨立粒子核殼層模型、核集體模型等，它們都有待在遠β穩定線的原子核研究中得到檢驗、深化與發展。隨著新核素的生成與鑒別，以及隨著對它們的衰變性質及核結構的研究，會不斷地有新的現象被揭示，人們對核內部的結構以及運動規律的認識也將不斷地深化。此外通過對遠離β穩定線原子核的研究，還可能找到某些新的同位素和核燃料，為核能與核技術的應用提供新的能源。總之，核物質新形態的研究是壹個十分廣闊而又值得探索的新領域，這壹領域中的任何新的進展都將能推動與它有關的原子物理、天體物理、核化學以及放射化學的進展。
在核物質新形態探索中，帶有重要影響的有重離子核物理、極端條件下原子核以及誇克-膠子等離子體的研究。 這是近30年來，在核物理學研究中壹個十分活躍又是極具有生命力的前沿領域。在本世紀50年代以前，人們在研究原子核的結構與變化時，只是利用質量小的輕離子，如氦核、氘核、質子、中子、電子和γ射線等轟擊原子核，這壹研究已取得了多方面的成果。從50年代到60年代中期，隨著加速粒子能力的提高，人們開始使用高能碳、氮、氧核去轟擊原子核，主要進行的是彈性散射與少數核子轉移反應。從60到80年代，重離子核反應開始逐步成為獲得人工超鍆元素的主要手段。近20年來，大約以每年發現30～40種新核素的速度發展著。1982年5月11日，美國勞侖斯-伯克利實驗室（LBL）第壹次成功地獲得了地球上天然存在的最重元素鈾的裸原子核，並將其加速到每個核子147.7MeV的能量，整個鈾238離子的總能量達到35GeV。在這個能量上，離子速度達到了光速的二分之壹。LBL的這壹創舉，不僅開創了相對論重離子物理學，而且使核物理的研究跨入壹個以前無法觸及的新領域，在這個新領域中，壹些激動人心的奇特現象引起了物理界的高度重視。LBL得到的高能鈾離子是由壹臺稱為貝瓦萊克（Bevalac）的加速裝置獲得的。這臺加速裝置由兩部分組成。壹部分是高能質子同步加速器，它只能把質子加速到10億電子伏，是40多年前建成，如今早已廢棄不用的老加速器，把它配了離子源和註入器，作為第壹級加速器使用；另壹部分是重離子加速器。通常，重原子的內層電子由於強庫侖作用，被緊緊地束縛在原子核外的內層，Bevalac先使鈾原子部分電離，形成帶少量正電荷的鈾離子。然後，令其加速，當鈾離子的速度超過核外電子的軌道速度時，使鈾離子穿過某種金屬膜，就會有相當多的電子被“剝離”，而形成帶較多正電荷的鈾離子，例如U68+。再使U68+繼續加速，再使其通過聚酯樹脂薄膜，得到U80+和U81+的離子混合物，最後再經過壹層厚的鉭膜，全部電子均被“剝”凈，從而得到了絕大多數的裸鈾核。
應用高能重離子可以研究核裂變的異常行為。在壹般的原子核中，庫侖力與核力起著相互制約的作用。若核力較強，原子核比較穩定；若庫侖力較強，核就容易裂變。由於中子只參與核力作用，似乎增加中子數可保持核的穩定，然而，核力的力程極短，隨著距離增加，核力急劇下降，使原子有壹個極限尺寸，超過這個極限，原子核將不能束縛更多的中子。可裂變的鈾核正處於核力與庫侖力相抗衡的狀態，它們稍微受到接觸就會裂解，之後，庫侖力占優勢，使核裂片互相分離。在Bevalac中產生的相對論性高速鈾核就可以用來研究高能下核裂變行為。果然，把高能裸核註入乳膠探測器中，通過對徑跡分析發現，鈾核與探測器物質原子核相撞，出現了壹系列奇特現象。例如，在 152個碰撞事例中，有半數事例的鈾核分裂成大小相差不多的兩塊，另外半數事件卻分裂成數塊，甚至在18%的事例中，鈾核被撞擊粉碎，而且入射能量越高，這種粉碎的事例越多，這類事件是高能核裂變的壹種反常行為。
用類氦鈾原子還可以對量子電動力學（QED）進行檢驗。根據量子電動力學，原子體系的躍遷能量可以用壹個數學式表述，這是壹系列冪指數漸增的連續項求和式，其中每壹項都含有原子序數和精細結構常數。過去，在把這個表述式用於氫和氦等簡單原子時，由於較高階項帶來的修正在實驗中不易被察覺，常被略去不計，可是對於類氦鈾原子，這些高價項卻起著重要作用，在這種情況下，將對 QED的理論進行高階次的檢驗。在高能重離子實驗中，還發現了壹種具有奇特性質的“畸形子”，這是壹種比通常的核更容易與物質發生作用的原子核或核碎片。當它們穿透物質時，在沒有到達正常深度前，就已經與物質發生了作用，所以它們在靶中的運動深度比正常核碎片淺得多。壹些高能重離子實驗表明，大約有3%～5%的核碎片屬於畸形子。有壹種說法認為，它們可能就是壹種“誇克-膠子”等離子體。在這類等離子體中，中子、質子已被破壞得失去原來的特性，只剩下壹團誇克和體現誇克間相互作用力的膠子。
包括LBL，世界上***有4臺高能加速器作為重離子核反應的研究基地。到1982年為止，LBL已經能加速直到鈾元素的全部重離子；美國布魯克海汶國家實驗室（BNL）可以把16O、32S、192Au加速到15GeV/N（eV/N為每核子電子伏）；歐洲原子核研究中心（CERN）可以把16O、32S加速到60GeV/N；美國布魯克海汶國家實驗室擬在1996年建成的相對論重離子對撞機（RHIC），投資4億美元。它建在原本為建造質子-質子對撞機所開掘的隧道裏，隧道周長3.8km。它包括兩個巨大的超導磁環，最大磁場3.8T，可以使質量數小於或等於200的離子能量達到100GeV/N。它的壹個重要目的就是研究在高溫、高密條件下，實現普通核到誇克-膠子等離子體的相變。在今後的20年內，相對論重離子物理可望獲得重要進展。 (1)探索誇克-膠子等離子體（QGP）
相對論重離子物理學是發展較快的核物理前沿領域，也是今後若幹年內核物理的重要研究方向之壹。它主要是研究在極高溫度（達到1012K，即太陽中心溫度的 60000倍）以及極高密度（10倍於正常核物質密度）下，核由強子態向誇克物質態，即誇克-膠子等離子體的相變。這項研究具有極其重要的意義。首先，誇克-膠子等離子體是人們長期以來渴望求到卻又難以得到的壹種物質形態。誇克-膠子等離子體與壹般的電的等離子體不同，在誇克-膠子等離子體中，誇克在強子外是自由的，而整體上又是色中性的。如果說，上壹世紀給本世紀留下了兩個謎，壹個是無絕對的慣性系，壹個是波-粒二象性，這兩個謎已隨著愛因斯坦的相對論及量子力學的建成得以解決，那麽，本世紀粒子物理學的發展又使另外兩個更深層次的謎，壹是對稱性破缺，壹是誇克禁閉呈現了出來。當前，描述自然界四種基本作用的理論是，描述強相互作用的量子色動力學（QCD），描述電-弱相互作用的 SU（2）×U（1）的模型理論，描述引力作用的廣義相對論，這些理論的最終統壹將使這兩個謎獲得最終解決，而相對論重離子物理研究又直接與這兩個謎相關，正因如此，有人稱這項研究具有“世紀性的地位”。當兩束高能重離子相撞時，雖然在極短的時間內，離子之間無重子分布，是壹種物理真空區域，但是它卻比壹般的真空能量密度高得多，因而是研究真空激發態的理想區域。這時物質的有效質量為零，手征對稱性得以恢復。此外，又根據核的相變理論，在正常溫度TN和正常密度ρN條件下，壹般核物質處於正常核態；但當密度達到2ρN時，可能出現π凝聚，這是核物質具有較高秩序的狀態，類似晶體點陣排列的原子；當密度達到5ρN左右，單個核子產生許多新的激發能級，核變為激發態的強子物質；若再進壹步壓縮核物質，使密度達到10ρN左右，核由強子激發態繼續發生相變，此時出現解除誇克禁閉，誇克跑出核子外，在比核子大得多的範圍內自由運動。此時，誇克與誇克間相互作用粒子組成誇克-膠子等離子體（QGP）。雖然這種理論分析尚有許多不確定因素，卻引起了許多人的興趣。人們壹致認為，高能重離子反應是實現這壹相變的最有希望的途徑。有人估計，要實現普通核的非禁閉相變，核碰撞質心能量要達到100GeV/N。預計在1996年建成的美國布魯克海汶國家實驗室的相對論重離子對撞機（RHIC）將能滿足這壹要求。
(2)格點規範場理論對相變條件的預言
為探索誇克-膠子等離子體，首先應從理論上估計核物質由強子態向誇克-等離子體相變發生的條件。先從核物質密度與強子密度之差估算相變所需要的能量。其結果是，當核密度提高到正常態的4倍時，相變即可實施。然而這種方法僅只是壹種估算，精確的方法應采用格點規範理論。在強子尺度的小範圍內，研究誇克的物質運動規律時，量子色動力學采用了微擾展開的方法，這種微擾法取得了很大的成功。但是在大於強子的尺度上，誇克-膠子的等效相互作用強度並不小，由於交換動量的結果，使誇克-膠子體系產生了各種非微擾量，原來的微擾法不再適用。在強相互作用中，這種非微擾效應表現在多方面。從粒子的質量看，質子的質量恰好是938MeV，Δ粒子的質量是1236MeV，π0介子質量是135MeV，為什麽它們恰好是上述值，這實際上就是壹種由非微擾效應產生的結果。此外，粒子的壽命、衰變現象、零點波函數、磁矩、結構函數甚至真空結構等，也都是誇克-膠子在大距離上的作用效應，也屬於非微擾效應產生的結果。這些現象與非微擾效應的關系，是粒子物理學中十分重要而又未被完全開發的領域。1974年，美國康奈爾大學的威爾遜（K.G.Welson）提出了格點規範場理論，用以解釋非微擾現象。其作法是，先設法在4維時空中取壹系列等間隔的格點，連續的時空被壹系列離散的格點所代替。他規定，膠子規範場只在格點間的鍵上起作用，而誇克費窯場則定義在格點上。由上述場量組成的格點作用量具有規範不變性。當格點間的距離趨於零時，格點作用量趨於原有的量子色動力學作用量，格點規範理論趨於連續時空的規範理論，與連續時空的漸近自由相對應。下壹步做法是，先在格點體系中計算各個物理量，然後再把格點間距趨於零，就可望得到真正的物理量，特別是那些非微擾量了。
事實上，微觀世界中的微擾量與非微擾量本是人為地劃分出來的。當認識水平未達到壹定的層次時，先討論微擾量只是壹種對復雜事物的簡單處理方法。格點規範場理論的建立表明，人的認識水平又向更高層次邁進了壹步。此外，由於粒子物理與統計物理的研究對象都是有無窮多自由度的體系，格點微擾理論把它們之間的相似性突出地表現了出來。然而，格點規範理論的計算是很復雜的，因為每個格點有四個正方向***四個鍵，在SU(3)規範不變條件下，每個鍵有8個獨立變量，每個格點又有正反誇克場，每個誇克場有4個Dirac分量，有三種色，至少有四種味，這樣壹來，對於每邊有16個格點的四維立方體，就有200萬個獨立變量。由於系統復雜，尚不能使用解析方法求解。但是由於理論的規範不變性，使討論對象具有群積分的性質，可以用數值計算方法計算。1981年，帕瑞西等人利用布魯克海汶國家實驗室的大型計算機，使用抽樣計數方法，即蒙特卡羅數值計算法，計算了這些群積分，不僅首次得到了π介子、質子、Δ粒子等強子的質量，而且還得到了π介子衰變常數以及標誌手征對稱性自發破缺不為零的數值。以後，又有人用同樣方法計算出更有意義的結果，例如證實了兩個重誇克之間的位勢隨距離的增加，呈現由庫侖位勢向線性位勢的變化。這壹結果證明了誇克之間距離加大時，存在有越來越大的作用力，結果使它們“禁閉”起來（漸近自由）。計算結果還顯示，溫度增加到壹定程度，即高能粒子互撞時，誇克的自由能突然加大。這表明，在高能散射中，它們有可能從“禁閉”中被“解放”出來，相變的臨界溫度為200MeV、密度為正常核密度的5倍以上，達到這壹條件相變即有可能發生，這壹結果確實給人極大的鼓舞。 1986年，歐洲原子核研究中心（CERN）在SPS加速器上首次進行了（60GeV～200GeV）/N的氧束流沖擊重靶的實驗，這是壹次較為成功的相對論重離子實驗。在這以前所做的有關實驗，如 CERN的p-p，α-α實驗；費密實驗室的p-p實驗，雖然能量很高，但由於碰撞粒子的質量太輕，高能密度聚集的範圍太小，而LBL的Bevalac上做的Kr束打靶實驗，雖然粒子足夠重，但每個核子的能量只有1.8GeV，這個值又太低，使碰撞區的溫度不夠高。還有的雖然能量足夠高，但實驗的統計性又太差，事例數太少，都未能獲得成功。
在CERN的這次成功實驗中，發現了人們所期待的“J/ψ抑制效應”，它是QGP存在的跡象之壹。根據理論分析，J/ψ粒子有三種衰變方式，它可能衰變成兩個電子，e+和e-；還可能衰變成兩個μ子，μ+和μ-；或者衰變成強子。在高能碰撞中，強子也可能產生J/ψ粒子。J/ψ粒子可以看作由c和粒子組成，自由的c對存在有束縛態。當有QGP產生時，由於德拜屏蔽效應的存在，會抑制c束縛態的出現，因而不能組成J/ψ粒子，或者說J/ψ中產生的幾率下降，於是J/ψ中粒子產額抑制現象常被當作為QGP出現的信號。
CERN使用的是200GeV/N的32S打擊238U，所形成的體系可能是發射π介子和K介子，也可能發射J/ψ粒子，J/ψ粒子又可能再衰變，通過衰變粒子，如μ+和μ-，來判斷J/ψ粒子的產額。在碰撞區形成壹團火球，邊緣地區的J/ψ粒子產額竟然是火球中心的1.6倍，由此判定，碰撞中心出現了J/ψ抑制，即有產生QGP的跡象。
另壹個顯示出現QGP跡象的實驗是在美國布魯克海汶國家實驗室進行的，這是測定K+/π+比例的實驗。他們使用了14.5GeV/N的28Si束打擊Au靶，觀測K+與π+產額之比，並與質子對撞情況相比較。他們認為，如果有QGP產生，π+、K-和π+產額將減少，至多是不變，而K+的產額卻要增加，這樣壹來，有QGP時，K/π+產額比值應加大。他們的實驗結果是：28Si打擊Au後，K+/π+產額比值由質子對撞時的0.07上升為0.20，而K-/π-的比值則與質子對撞時壹樣。
重離子對撞實驗是很復雜的。根據理論計算，在現有的條件下，對撞區的溫度可達到200MeV左右，這個溫度在相變臨界溫度附近，所形成的火球的橫向半徑大約有4.3～8.1fm(1fm=10-15m），徑向半徑約有2.6～5.6fm。壹個碰撞事例往往可以產生500個以上的次級粒子，處理這樣復雜的事例以及處理如此大量的特征信號是件極為困難的事，因此，通過上述特征估計 QGP的形成仍只是壹種試探。即使如此，由於理論物理學家已給出相變存在的可能性，也由於實驗物理學家又較成功地處理了如此復雜的反應事例，還由於相對論重離子碰撞實驗已達到了理論預言的能區，更由於這項研究目標所具有的深遠的意義，這壹切都使得誇克-膠子等離子體的研究成為核物理學前沿的熱點課題之壹。 所發現的另壹種核物質的新形態是包含其它強子的核多體系統，又稱奇異核，例如Λ超核、Ζ超核以及反質子核等。只有Λ超核為實驗所肯定，已開展了壹些Λ超核譜學及生成Λ超核機制的研究。Λ超核最初是在宇宙射線研究中發現的。1952年，波蘭物理學家M.丹尼什和J.普涅夫斯基從暴露在宇宙射線核乳膠中，發現壹個特殊的事例。這是壹個高能質子擊碎了核乳膠中的銀原子，產生的壹個碎片，再通過發射帶電π介子和壹個質子衰變，碎片衰變的特征與理論上預料的Λ超子完全相同，因而認定這個碎片就是包含Λ超子的Λ超核。Λ超子是最輕的奇異重子，根據強相互作用要求，它的奇異數與重子數守恒，因而Λ超子在核物質中相對強相互作用是穩定的，只能產生弱相互作用衰變。Λ超核與Λ超子有幾乎相同的壽命，因而在實驗中可以比較容易地觀察到Λ超核。到目前為止，已經在實驗中觀察到幾十種Λ超核以及包含兩個Λ超子的雙超核，甚至包含若幹個Λ超子的∑超核。超核的發現，不僅打破了過去原子核只是由中子、質子組成的傳統看法，而且通過超核的研究，還進壹步獲得了有關核結構與強相互作用的認識。超核物理已成為中、高能原子核物理研究的壹個重要分支領域。奇異核伴隨有奇異的現象。首先，與普通核相比，奇異核有著特殊的衰變方式。普通核的衰變類型有：α衰變、β衰變（包括電子俘獲過程）、γ衰變（包括內變換過程）和自發裂變等，奇異核則除了上述方式外，還有壹些奇異的衰變方式。例如，奇異核β衰變可釋放很高的能量，經β衰變後的末態核仍處於較高的激發態，若這壹激發態的能量高於其中的核子或核子集團的結合能時，這個末態核仍有可能把多余的能量釋放出來，退激發而變為壹種新的核，稱為子核。這種奇異衰變分為兩個階段，同時有三代核素參與，然而由於第壹階段的β衰變比第二階段緩慢得多，在實驗觀測時，僅觀察到第壹階段的β半衰期，故常把這種放射性稱為β延遲粒子發射，或緩發粒子發射。其實，早在1916年盧瑟福（Ernest Rutherford，1871～1937）和伍德（Robert Williams Wood，1868～1955）在研究212Bi引起的熒光現象時，就曾發現在大量具有壹定能量的α粒子中，混有少量具有較高能量的長射程α粒子，這實際上就是β衰變緩發α粒子。雖然他們觀察到這個現象，卻不明白其成因。直到1930年，伽莫夫（GeorgeGamow，1904～1968）也觀測到了這個奇特的現象，才對它做出了解釋。伽莫夫認為212Bi先經過β衰變到212Po，如果212Po處於激發態，它再放出帶有該激發態能量的α粒子，這部分激發態能量轉化為α粒子的動能，因而具有較高的能量。如果處於激發態的212Po先經過γ發射回到基態，就會發射低能量的α粒子。212Bi就是緩發α粒子的先驅核，而末態核發射α粒子後變為218Po，就是緩發α粒子的子核。盧瑟福、伽莫夫等人所觀測到的β緩發衰變僅只是壹種天然放射現象。
1937年，列維斯第壹次人工地產生了β延遲α發射的先驅核8Li。1939年，羅伯茨又在中子轟擊鈾的實驗中，首次探測到了β延遲的中子發射。50年代末，卡爾諾克霍夫首次觀測並鑒別出β延遲的質子發射先驅核。此後，被發現的先驅核數量增加很快。近20多年來，大規模尋找緩發粒子的先驅核，並利用這種奇特的衰變方式研究奇異核的性質已成為核物理研究中的壹個重要課題。
近十多年來，由於實驗技術的發展，又陸續發現了β延遲衰變後兩個或三個核子發射的奇異衰變方式。1979年9月歐洲原子核研究中心的壹個研究組觀測到了β延遲的二中子發射，以後又觀測到三中子發射。1984年，勞侖斯-伯克利實驗室的壹個研究組在88英寸的回旋加速器上，觀測到了土22Al的β延遲二質子發射現象。接著歐洲原子核研究中心又在線同位素分離器上發現了11Liβ延遲3He和3H的衰變。在奇異衰變研究中，值得註意的是重離子的奇異放射研究方面的進展。1984年，牛津大學的壹個研究小組發現了壹個奇特的現象。223Ra的α衰變半衰期通常為11.4d，然而在這種衰變中，他們卻發現了能量在30MeV的14C離子。這壹現象出現的幾率很小，大約在109衰變中才有壹次，由於他們沒有放過這個很容易被疏忽的現象，以後又陸續發現了222Ra、224Ra和226Ra的14C衰變；230Th、231Pa、232U、233U和234U的24Ne衰變以及234U的28Mg衰變。這壹放射性所發射的實際上是核子集團，從而反映了核內核子的組合方式。對這壹奇異現象的解釋，以及尋找新的重離子發射核實驗已經成為核物理中活躍的研究領域。除了奇異的衰變方式以外，奇異核還表現出奇異的形變特性。過去，通常把核認作為球形，如早期的核液滴模型以及獨立粒子殼層模型等。1952年阿·玻爾和莫特遜提出了原子核集體模型，利用這壹模型計算核在各種情況下的能量時發現，有些核在特定的變形下能量最低，稍微偏離這種變形，能量上升很快，這種核被稱為硬的變形核；有的核在壹定的變形範圍內，能量的變化不大，被稱為軟的變形核。按照這壹模型，除了核子可以在核內運動外，原子核還可以作為整體振動或轉動。處於不同狀態的核，具有不同的能量和角動量，並對應壹定的形狀，這些能量又不是連續的。通過大量的β穩定線附近的核研究，人們已經找到了核的能級分布與形狀間的關系。
當核轉動時，如果形狀發生變化，轉動慣量相應改變，就會導致核轉動能級分布情況變化。這壹規律的研究已成為研究奇異核的基礎。在70年代，實驗上已經發現，某些核可以有不同的形狀，它們對應著不同的能級，有壹組建立在球形基態上，能級的間隔較寬；另壹組開始的間距較小，後來越來越大，它們對應著硬變形核的轉動和振動。這種不同形狀的狀態在核中同時存在的現象，稱為形狀***存現象。對這壹現象的研究，使過去曾被認為截然不同的異形核與變形核之間找到了某種聯系。核的變形程度通常用壹個參數β描述。β近似等於核長短軸之差與兩軸平均長度之比。典型變形核的β值在0.2～0.25範圍。β在0.35～0.4範圍時，稱為超變形核。超變形核的第壹激發態能級往往很低。β值及極低的第壹激發態成為超變形核的兩個判據。早在1981年，摩勒和尼科斯就曾根據對奇異核研究的結果從理論上預言，中子數和質子數在38附近的核，屬於自然界中最強變形的核。果然，人們在遠離β穩定線區域檢驗球殼層模型中發現，質子數和中子數都接近幻數40的核，如74Kr、76Kr核具有非常大的變形。奇異核研究已與重離子核物理相結合，人們廣泛采用中、高能重離子束，通過彈核破裂的反應機制合成新的奇異核素，並通過核素分離產生的次級奇異核束流研究奇異核反應及其性質。