原子是宏观物质构成的基本单元，原子核占到了原子的几乎全部质量，其内部结构和性质是如何知道的呢？老话说得好，要知道核桃仁的样子，就要把核桃敲开，仔细查看。所以，要知道原子核的内部结构，就要把原子核敲开。原子核是非常小的，其尺寸大约只有10^-14米，一般榔头打不着。原子核还非常结实，比如，要把一个铁-56原子核打散，就需要用大约8 MeV×56的能量。因此，只有用高速运动的原子核去撞击一个原子核了。
国际上第一位对原子核研究进行变革的人是卢瑟福，1909年他利用放射性原子核210Po发射的α粒子轰击非常薄的金箔，发现了原子核。后来，在1919年，卢瑟福又利用α粒子轰击纯的氮气，不仅发现了质子，还产生了氧同位素17O，核反应式是14N + α → 17O + 质子。当然，17O的鉴别还是布兰克特在1925年完成的。
1932年，查德威克利用9Be(α,n)12C反应，不仅变革了原子核，还发现了中子。近百年来，核物理学家利用不同能量的各种原子核轰击其他原子核，不仅深入研究了原子核的结构和性质，而且，还在实验室中合成和研究了近3200种新核素，发现了20多种新元素。
核反应需要的条件前面说了，要使两个原子核相互碰撞，它们之中最少有一个原子核具备足够高的能量（称为炮弹），或者两个原子核都具备足够高的能量。
早期，在实验室中常用的炮弹有两种：一种是来自放射源（可以发射出具有一定能量的粒子的放射性原子核）的粒子，包括中子、α粒子、高能γ射线；第二种是来自离子加速器的离子束。放射源是早期实验用的工具，可以是天然的，也可以是人造的。核反应堆中子源是一个常用的中子源。加速器是实验室使用的大型实验装置，它有许多类型，例如高压倍加器、串列加速器、回旋加速器和同步加速器。
再一个就是需要有合适的靶原子核，一般都会选择一种由单一的稳定原子核构成的材料，固体的或者是气体的，制成需要的靶子，以备使用。还有一个不可缺少的条件就是需要有探测粒子和原子核的设备，根据需要，其结构由简单的一个探测器，或是几个探测器的组合，更复杂的是由几种不同类型的探测器组合起来的鉴别系统，如超重核的鉴别系统。
在国际上具备上述条件的核物理实验室有美国的伯克利实验室、俄罗斯的杜布纳核物理实验室、德国达姆施塔特重离子研究所、中国科学院近代物理研究所、中国原子能科学研究院、日本理化研究所、密歇根州立大学-美国能源部联合研究室等。这些实验室不仅具备很好的实验设备，还集中了一批优秀的核物理理论和核物理实验学家，每年都有大量科研经费的投入。
而且，随着核物理研究的发展，这些实验室都在不断地发展和更新相应的设备，以便能向更新的目标进发。例如，最初只有简单的高压倍加器，只能提供低能的轻粒子（质子，氘粒子和α粒子）束流，但是，这对于研究同样一种元素的更丰中子，或者更丰质子的新核素是不够的，于是就发展了重离子（比Li离子重的各种离子）加速器。
在合成超重新核素时，由于反应截面非常小，因此，需要更强的束流强度，为此，发展了强流重离子加速器，能够提供的束流强度可以是原来的几十倍，甚至上百倍。俄罗斯杜布纳原子核物理实验室的加速器可以提供的48Ca—由20个质子和28个中子组成，是钙元素中质子数最多的稳定同位素，束流强度达到约2×10^12个每秒，一般的加速器只能达到约10^10个每秒。
同时还投入几千万的资金建设大型复杂的探测设备，如俄罗斯的超重谱仪，美国的GRETA γ谱仪（由30个田字型γ探测单元和10个γ能量跟踪探测单元组成）等。
与核反应有关的一些名词说明质心坐标系：以两个相互碰撞原子核的质量中心为原点的坐标系。通常实验者进行核反应研究时，会将待轰击的靶子竖直固定在一个真空室的中心位置。以这个位置为原点，以炮弹前进的方向为Z轴，X轴在水平面。
Z-X之间的夹角记作θ，Z-Y之间的夹角记作ϕ。这样的坐标系就是所谓的实验室坐标系。在这个坐标系中，可以很方便地记录炮弹的能量，核反应过程中发射各种粒子的总数及其分布等。但是，在讨论理论问题时，就有些麻烦，例如，炮弹与靶原子核接粘在一起后，还会运动一段时间，并在运动中发射粒子，计算粒子的能量和角度时需要考虑这些因素。
因此，为了理论计算的方便，就建立了质心坐标系，即以炮弹和靶原子核的质量中心为坐标原点，以炮弹的运动方向为Z轴方向的坐标系。用一套公式，可将实验室坐标系的测量数据转换为质心坐标系的数据。
两个原子核的相互作用势：原子核都是带电的，因此，当两个原子核相互接近时，在很远距离上就会感到库伦排斥作用（VC=Z1Z2/(4πε0R)）。由于核力的存在，在原子核周围也存在核势场。
所以，当两者非常靠近时，两个核会受到核势(VN)的吸引作用。我们还知道，当入射弹核在靶核附近经过时，就会产生相对角动量，而且瞄准距离不同，形成的角动量也不同，这个角动量称为轨道角动量(L(lħ))，也就有相应的轨道角动量势能(VL=l(l+1)ħ^2/μR^2)。因此，当弹核与靶核碰撞时，存在的总相互作用就是这三种势的总和(VC+VN+VL)。反应截面：简单说就是炮弹核与靶原子核发生碰撞的概率。
假设单位面积上只有一个靶原子核，一个炮弹粒子轰击这一单位面积时，与这个靶原子核撞上的概率就是反应截面。实际实验时，已知单位面积上的靶原子核数为N，测定在一定时间内入射到单位面积上的炮弹数目(I)，以及发生反应的数目(N')，一般用σ表示反应截面（概率），则σ=N'/IN。如果面积的单位用cm^2，则定义1靶(ban)=10^-24 cm^2。
如果将某个原子核作为靶心，炮弹距离靶心的垂直距离称为碰撞参数(b)或瞄准距离。不同数值的b对应不同的环面积，炮弹落入的概率也不同。同样速度的炮弹，从不同的b经过时，它对应的轨道角动量L也不同(L是量子化的，用lħ表示，l=0，1，2，……)。如果将b也量子化，L与b的关系是：L=bμυ，其中，μ是炮弹的折合质量，υ是炮弹的质心速度。
核反应中的守恒定律：强调一下，这里所说的核反应是指炮弹核的能量不是非常高，最高也仅能将原子核敲碎，而不将核子（质子和中子）激发从而产生其他基本粒子；再一个是核反应过程不包括反应后生成物的衰变过程。大量实验表明，在原子核反应过程中，反应系统遵守以下几个守恒定律：总电荷数守恒：反应前后系统的电荷数不变。
总质量数守恒：反应前后总的核子数不变，尽管会有中子和质子重新组合，但总的数目不会增加或减少；能量守恒：反应后系统的总能量（静止能量和动能）虽然会进行重新分配，但是其总量与反应前相比，不会有任何改变；动量守恒：反应前后的总动量不会发生变化。角动量守恒：炮弹核和靶核都会有自旋角动量，而且，弹核入射时也具有轨道角动量，这两者之矢量和是反应前的总角动量。
反应后的总角动量是，各种产物的自旋角动量和它们之间相对运动的轨道角动量的矢量和。反应前后的总角动量相等。宇称守恒：即对于每一种类型的核反应，体系总的宇称保持不变。这也限制了产物核之间相对运动的轨道角动量的取值范围。
原子核碰撞的不同过程——核反应类型物质都是由原子构成的。尽管原子之间基本上都是相邻的，但是，一个原子的尺寸是原子核的上万倍。
因此，炮弹核在靶物质（一般都是很薄的）穿行时，除部分与核外电子相碰撞，产生自由电子，而降低速度外，绝大部分则是自由通过。只有极少的炮弹核能在靶原子核附近通过。弹核与靶原子核的瞄准距离不同，弹核与靶核相互作用的过程也不相同。以瞄准距离计算，从远到近，相互作用过程可分为以下几种：弹性散射；库伦激发；非弹性散射；少数核子转移反应；深部非弹性散射；复合核反应。
影响核反应的重要因素有三个：反应系统中原子核的质量、弹核的速度和瞄准距离。这三个因素可以归结到角动量L(=bμv)中。从角动量的角度考察各种反应截面的分布可给出如图8的样子。量子隧穿效应使得不同反应交界处呈现出缓慢过渡状态。
弹性散射：当炮弹核（带电荷数为Z1）在比较大的瞄准距离上入射时，弹核与靶核（带有电荷数=Z2）之间的相互作用，就像两个带电的小球相碰时那样，只有动量转移，各自的内能都没有变化，也就是说这两个原子核的结构和性质也不可能发生任何改变。库伦散射后，出射的弹核大都集中在入射方向附近，随角度的增加，则以[16sin^4(θ/2)]^-1的速度下降。能量很低的带电粒子与较重的原子核碰撞时只会发生这种现象。
由于核力的存在，当能量比较高的弹核入射时，随着瞄准距离的减小，弹核会受到核力的影响，其轨道偏转情况也会发生相应的变化，不再遵循纯粹的库伦散射轨道。碰撞参数进一步减小时，原子核之间的相互作用（吸引）增强，导致弹核将少量的动能转移给靶核，甚至在弹核和靶核之间有少数核子的转移。这就使得弹性散射截面与纯粹库伦散射相比，会很快下降。
通常，实验人员在不同角度上测得弹核的散射截面，并将实验测量截面与理论计算的库伦散射截面进行比较，从而给出两者的比值图。通过弹性散射截面的测量，并与理论计算相比较，可以确定弹核与靶原子核之间的核作用势，以便为核反应截面的理论计算提供重要的原子核之间的核相互作用。另外，通过弹性碰撞的测量也可以得到弹核与靶核相切的距离，从而更准确地获得弹核与靶核之间发生转移反应的瞄准距离。
核结构对弹性散射有一定的影响。例如，晕核11Li是由核芯9Li和两个晕中子结合而成，且两个晕中子的结合能非常小。如果利用11Li作为弹核，当它和靶核接近时，由于库仑场的作用，两个晕中子就有可能离开核芯9Li，使得其弹性散射截面更快地偏离库伦散射。
库伦激发：如果入射弹核的能量较低，不能穿过库伦位垒（除了隧穿效应外），由于弹核与靶核（特别是两个较重的原子核之间）存在库伦相互作用，会使靶核或者弹核吸收虚拟的γ射线，从而被激发到较低的能量状态。但是，接近光速的弹核在靶核旁边经过时，也会产生非常强的电磁场，也会使弹核或靶核获得非常高的激发能。
非弹性散射：当弹核对靶核的瞄准距离比较小时，除了会发生弹性散射以外，还会将其部分动能转换为靶核或者弹核本身的内能，使它们处于激发状态。这种过程称为非弹性散射。当实验测量弹核的弹性散射能谱时，在稍低于弹核能量的位置上会出现一些能量峰，这就是非弹性散射峰。
转移反应：当炮弹核对靶核的瞄准距离更近时，特别是弹核与靶核相切，或者稍有重叠，两者之间就会发生核子转移。在此过程中，由于弹核与靶核有短暂的接触时间，在这一短暂的时间内，不仅发生了能量转移，同时也会发生核子转移。转移核子的多少，有很多因素在起作用。例如，瞄准距离，弹核速度，两个核的内部结构等。转移核子越多，其转移概率越小，但是核结构的影响会使这一特点发生较大的变化。
1974年当我们在用较低能量的12C轰击197Au时测量出射α粒子的角分布时，发现α粒子的角分布不是我们预想的各向同性（来自复合核蒸发）那样，而是与转移反应出射粒子的角分布相似。后来进一步实验测量证实，这些α粒子确实是来自12C向靶核转移8Be后出射的，而且转移的几率比转移一个核子的概率要大得多。
后来，又利用不同能量的12C离子轰击209Bi原子核，测量了转移8Be的截面，以及转移后生成核（217Fr）退激发及随后α衰变成211At的截面，进一步证实了8Be转移具有很大的概率。原因在于12C可以认为是由在同一平面上的3个α组成，其中2个α（或8Be）与靶核结合的概率更大些。在利用14N核轰击同样的靶核时，转移10B的截面就要小许多。
利用12C轰击不同的靶原子核，其转移8Be的截面也因靶核结构的不同而有较大的差别。例如，在有效能量几乎相同的情况下（约64 MeV），12C轰击靶核159Tb时，转移8Be的截面仅有大约89 mb，而轰击天然Ag时，却高达150 mb。即使利用12C轰击不同的同位素靶核，例如112Sn和124Sn，其转移截面也有较大的区别。
深部非弹性散射：当利用比较重的炮弹核，例如40Ar轰击重的靶核，例如Au时，如果瞄准距离较小，使得弹核与靶核有一定的接触，甚至有一定重叠，会发生另外一种现象，称为深部非弹性碰撞，即弹核与靶核会粘在一起，并会转动一定的角度，同时有较多的能量损失和较多的核子转移。后来发现，即使在比较轻的核反应系统中，如16O轰击28Si，也会有这种现象。
总之，当弹核与靶核的距离非常接近，或者稍有重叠，由于弹核和靶核的部分核子之间的相互作用，甚至核子集团与核的相互作用，能够发生核子的转移。核子转移并不是单向的，靶核中的核子也可以转移到弹核中。核子转移的同时，也携带了本身的具有的能量。
全熔合反应：当弹核的瞄准距离进一步减小，弹核的能量也比较合适时（低于临界角动量所对应的能量），弹核就有一定的概率与靶核熔合在一起，形成一个内能比较高、不稳定的新原子核，它的总核子数等于弹核与靶核核子数的总和，而且弹核的有效动能全部转变为新原子核的内能。这个新原子核被称为复合核。复合核对它的形成过程没有记忆，只知道自己有多少核子，有多高的激发能，至于来自何处，完全忘记。
复合核形成的概率会受到各种因素的影响。比如，弹核的能量，弹核或者靶核的结构，甚至复合核的结构等。随着入射能量的增加，熔合截面呈指数增加，当弹核的能量比反应系统的库伦位垒高很多后，就会逐渐趋于饱和。当入射弹核的能量非常低时，熔合反应概率会非常小，受到各种因素（核结构等）的影响也会非常明显，实验测量也变得非常困难。这也促使科研人员创造出各种特殊的技术和设备，以获得所需结果。
特别是非常低能的轻粒子，以及12C、14N、16O、28Si等核素轰击不同靶核时的熔合截面，在天体核合成和超重元素合成中具有非常重要的作用，人们非常重视对它们的研究。
通常，由于复合核的热能比较高，非常不稳定，在极短的时间内会通过发射多个中子和γ射线而形成稳定的余核，有时会发射中子和其他少量的轻带电粒子，如质子，氘核和α粒子，以及γ射线等，将自己的多余的热量消耗掉，从而变成一个稳定的原子核。
如果复合核包含的核子数很多，也就是非常重时，除了发射粒子退激发外，还会发生裂变，称为熔合裂变。熔合裂变的几率随着复合核的质子数的平方与其质量的比值(Z^2/A)和激发能的增加都会增加。通常用Γf表示复合核裂变概率，用Γn表示产生蒸发中子余核的概率，从这两个概率的比值大小可以看出复合核裂变的容易程度。
熔合裂变与自发裂变的区别在于，复合核的温度要比自发裂变核的要高，因此，熔合裂变碎片质量分布更接近对称分布。熔合裂变前会发射粒子，特别是发射中子。如果温度很高，在裂变前会发射更多的中子。熔合裂变后的碎片也会有一定的激发能，可通过发射中子和γ射线趋于稳定。
重离子反应形成复合核时，随着复合核激发能的增加，复合核裂变的几率会很快增加，特别是当复合核的质量数非常大时，甚至于几乎全部都发生裂变，只有极少的复合核能够通过发射中子（轻离子）和γ射线退激发，最终成为一个稳定的重余核。当非常重的两个核碰撞时，虽然瞄准距离小，也是接触后即裂开，而不可能形成复合核，这一过程也为准裂变。
在重离子反应中形成的复合核通常都具有较高的自旋角动量。
在粒子发射时，会随之带走一些角动量，但是，当剩余的激发能不够蒸发一个粒子时，或者对于重核不能发生裂变时，发射γ退激就是它唯一的退激发方式。实验发现，在37Cl轰击120Sn生成的复合核156Dy，在蒸发3~4个中子后，仍然具有高达130ħ的角动量。也就是说153Dy（或152Dy）原子核可处于变形非常大的状态。复合核的退激发过程有长有短，特别是重核裂变过程是一个比较慢的过程。
复合核退激过程最长可以达到10^-16秒，也就是说，复合核的寿命最长约10^-16秒。
放射性原子核，或称为不稳定原子核，相比同种元素的稳定核而言，它的中子数比较多，或者是中子比较少。用这些原子核作为炮弹核引起复合核反应时，所形成的复合核会多一些中子，或者少一些中子。如果放射性弹核具有晕结构，或者最后一个或两个核子的结合得比较松散，那么，能够形成复合核的概率与稳定的弹核相比就会有明显的差别。
当这类不稳定弹核接近靶核时，由于库伦势和核势的作用，弹核的核芯与外围核子有概率会首先分开，这样，在本应该形成复合核的瞄准距离上入射，就有可能不再形成复合核，即复合核的形成截面就可能会降低。但是，实验结果表明，弹核能量较高时，并没有明显的影响。
总之，当弹核与靶核碰撞时，不同入射能量、不同瞄准距离会引起各种各样的核反应。核物理实验中，每秒钟就会有成千上万亿个弹核冲向靶子。
相对弹核而言，靶子上靶核之间的距离实在是太大了。因此，绝大部分弹核不会与靶核碰撞而直接穿过靶物质，剩下的弹核，除了大部分与靶核发生弹性散射外，仅有小部分弹核在不同瞄准距离上与靶核相撞而发生各种核反应。即使这样，每秒还是会产生出大量的核反应产物。如何将大量的出射产物按照不同的核反应区分开来，就成了实验者首要研究和发展的问题。
长期以来，核物理实验人员根据不同的实验目的，发展出了许多有针对性的实验探测设备和方法，从而能成功地完成实验。