研究重離子束在物質中的能量損失率、射程、濺射、電離電荷的變化以及重離子和物質原子之間的相互電磁激發等規律。
歷程
20世紀60年代以來,離子濺射、離子注入技術和摻雜技術在工業部門有了廣泛的套用。接著又出現了束－箔光譜學。70年代，開始了用重離子治療腫瘤和癌症的臨床試驗。並且還用重離子來形成超重準原子和產生極強電場，出現了真空衰變為正負電子對的現象。所有這些表明了對重離子同物質相互作用的研究不僅具有現實的套用價值，也是一個新的基礎研究領域。
由於重離子質量大、所帶電荷多、種類可以選擇（目前已經可以加速所有已知的天然核素的離子），從而就使得重離子束比質子束或粒子束同物質相互作用更為多樣化。
重離子在物質中的射程短而確定，電離密度大，能量澱積密度大，特別在射程末端能量澱積密度達到最大值。在圖中顯示了物質對動能為，質量數為的重離子的阻止本領(單位路徑上的能量損失，-d/d)。從圖可見,重離子在單核子動能（即/）幾百千電子伏時（高速區），阻止本領大致正比於1/；而在低速度時,則大致正比於。 這主要是重離子的核電荷同物質中的電子作用的結果。當重離子的速度更小時,從圖可見,出現一個小峰，它是由於重離子被媒質原子的禁止庫侖勢的彈性散射所引起的，這個速度區被稱為核阻止區。將上述三個阻止區加在一起，得到媒質對重離子阻止本領的總效果，它在圖中用實線表示出來。實驗表明，在相同速度下的各種重離子，射入同樣的媒質時，阻止本領大致同重離子的原子序數的二次方成正比。所以重離子愈重，在媒質中損失的能量也就愈大。
重離子同物質的相互作用重離子在媒質中射程短、損失能量大的特點，在醫學和可控輕核聚變的研究中有重要的實用前景。例如,用高能重離子束（如氖束）定域輻照人體內的腫瘤或癌的病灶區時，由於重離子把它攜帶的大量動能釋放在它的射程末端的病灶組織中,可有效地破壞它們,而不致過多地損傷健康組織。實踐表明，重離子束在生物組織中的相對生物效區、氧增比和線能量轉移值等三項指標，都優於輕離子束和π介子束。預計在射線治療中,重離子束將是最理想的射線。而且，還可以將醫用放射性同位素重離子束自動注入到身體某一特定器官中，進行快速示蹤的診斷。
重離子射程短，損失能量大的特點還可用來造成局部的高溫高壓條件，為引發可控聚變提供了可能性。人們構想，用多條高能鈾或鉍離子束，從多個方向同時轟打一個很小的金殼包裝的氘-氚靶丸,就可將金殼熔化而形成高溫高壓的向心擠壓的狀態。靶丸中的氘-氚物質在這種條件下將被“點燃”，發生核聚變反應，釋放出巨大的核能。這個方案是探求可控核聚變的一種頗有希望的慣性約束途徑。重離子激發原子的X 射線產額和伴線數目比X 射線或電子束等激發的都大得多, 這就提供了研究原子內殼層結構的一種重要方法。
高速重離子穿過很薄的碳箔時，受到箔中密集電子和原子核等的電磁作用而被激發到原子的高剝離態和高激發態。離子束離開箔時將輻射光子以退激。對重離子束穿過箔後,在離箔不同距離處所發射的光譜的研究,是束-箔光譜學的內容。用它可得到等效於極高溫下的原子能譜和能級壽命,對照天體（包括太陽）的光譜資料,可以發現天體的元素組成並算出其相對豐度。因此在天體物理研究中很有意義。
當重離子同重原子靶碰撞時，兩個原子核可以相距很近，在逗留一段時間後，受兩個核之間庫侖排斥力而分離開。在逗留時間內，將會存在一個公共的電子殼層，即形成一個準原子。準原子的原子序數將是重離子與靶原子的原子序數的和。這樣，用很重的重離子和重元素靶,就可能得到原子序數大於110的超重準原子。通過研究超重準原子的X 射線，可以了解這種天然不存在的超重原子的結構。
按照量子電動力學理論，如果超重原子的原子序數大於 173，則最內殼上的電子結合能將超過電子靜止質量所對應的能量的 2倍（即1.022MeV）。在這種情況下，最內殼上的真空將衰變成正負電子對，而無需耗費別的能量。當原子序數之和大於173的兩個重離子碰撞時(如U+U)，有一個臨界距離，達到這一距離就會產生真空衰變而無需真正變成一個核。用鈾離子轟擊鈾或釷的實驗，已經證實了上面的理論預言。這時真空衰變的電子將填到最內殼中，而正電子則發射出來。這表明真空是物質存在的一種狀態。
重離子同物質的相互作用
重離子同物質的相互作用