Ядерні реакції - це перетворення ядер при їх взаємодії з елементарними частинками, ү-квантами або один з одним. Ядерні реакції відбуваються з виділенням енергії (якщо утворилося ядро ​​має більшу енергію зв'язку на частку) і з поглинанням енергії (якщо продукти реакції мають меншу енергію зв'язку на частку, ніж вихідне ядро). Ядерні реакції, що відбуваються з виділенням енергії, називають екзоенергетіческімі, з поглинанням енергії носять назву ендоенергетіческіх. Унаслідок великої енергії зв'язку частинок у ядрі (див. Ядро атомне) при ядерних реакціях виділяється енергії приблизно в 106 разів більше, ніж при хімічних реакціях. Ендоенергетіческіе реакції здійснюються, якщо енергія бомбардир частинки більше порогової енергії Е для даного виду реакції. Імовірність здійснення даної реакції характеризується поперечним перерізом σ - ймовірністю перетворення одного ядра в результаті даної ядерної реакції під дією однієї частинки, падаючої на 1 см2 поверхні мішені, і чисельно дорівнює поперечному перерізу ядра, σ вимірюється або в квадратних сантиметрах, або в Барна, рівних 10 -24 см2 (справжнє поперечний переріз ядра одно пr2 і по порядку величини дорівнює 10-24 см2). Іншою характеристикою ядерних реакцій є вихід W - відношення числа актів даної ядерної реакції до числа потрапили на мішень частинок. Ядерні реакції добре описуються моделлю складеного ядра, згідно з якою вони протікають у дві стадії: спочатку частинка захоплюється ядром і утворюється порушену проміжне, або складене, ядро. За час, більше в порівнянні з часом, необхідним для прольоту часток через ядро, бомбардуючих часток внаслідок великої кількості зіткнень (більше 106) передає свою енергію всім частинкам ядра, так що відбувається досить рівномірний розподіл її по окремих нуклонів (температура ядра підвищується). Якщо внаслідок флуктуацій енергія одного з нуклонів стане в якийсь момент більше його енергії зв'язку, то цей нуклон покине ядро. Так, наприклад, при реакції N147 (n, p) C146 спочатку утворюється складене ядро ​​N147, яке потім розпадається з випусканням протона. Правильність цієї концепції підтверджується тим, що кутове і енергетичне розподіл вилетіли частинок визначається тільки властивостями складеного ядра, а також тим, що типи і ймовірності розпаду даного складеного ядра не залежать від способів його утворення в результаті бомбардування різними частками. Наприклад, складене ядро ​​Br82 завжди розпадається наступними шляхами: Br82 → Br82 + ү; Se81 + p; As78 + α; Br80 +2 n, незалежно від способів його отримання. Ядро являє квантово-механічну систему, що складається з нуклонів, яка, подібно атому, може знаходитися в станах з певною енергією. Ці рівні енергії Е визначаються колективним рухом нуклонів (див. Ядро атомне). Із збільшенням енергії збудження ядер Eb енергетичні рівні E і їх ширина Г зростають, а відстані між сусідніми рівнями зменшуються, тому роль окремих рівнів складеного ядра позначається тільки при малих енергіях збудження Eb в легких ядрах.

При малих енергіях частинок, коли хвильові властивості відіграють істотну роль, при взаємодії з ядром спостерігається явище резонансу (аналогічне резонансу при поглинанні світла), що полягає в різкому зростанні σ при значеннях співпадаючих з яким-небудь рівнем складеного ядра (див. Нейтрон, Нейтронне випромінювання) . Найбільш виразно всі закономірності протікання ядерних реакцій спостерігаються при взаємодії з нейтронами, так як кулонівський бар'єр не перешкоджає проникненню їх в ядро. Для Eb резонансних енергій спостерігаються різкі максимуми для вузьких інтервалів енергії нейтронів. При збільшенні Е рівні складеного ядра перекриваються і резонансне поглинання частинок відсутня, так як взаємодія частинок обумовлено в цьому випадку всіма рівнями ядра; хвильові властивості частинок перестають грати роль. У цьому випадку σ мало відрізняється від геометричного перетину ядра πr2. Якщо Eb при захопленні частинок менше енергії зв'язку нуклона в ядрі Ecb, то спостерігається тільки реакція радіаційного захоплення з випусканням ү-квантів (n, ү), (p, ү). При великих енергіях істотну роль грає конкуренції окремих видів розпаду складеного ядра. При цьому σi (Е) для окремих видів розпаду має плавні максимуми.

При ядерній реакції з зарядженими частинками р, d, α, t і ін істотну роль грає кулонівський бар'єр, який зростає із збільшенням Z ядра і заряду частинок.

При бомбардуванні нейтронами утворюються, як правило, β - активні ядра внаслідок надлишку в них нейтронів (див. Радіоактивність), за винятком реакції (h, α) і (n, 2n). При бомбардуванні протонами утворюються β +-активні ядра.

Більшість ізотопів для дослідних медичних цілей отримують шляхом опромінення нейтронами по реакції (n, ү). Реакції з α-частинками подібні з реакціями під впливом протонів. При реакціях (α, n) утворюються β +-активні ядра, при реакціях (α, p) - стабільні ядра. Виходи для реакцій з α-частинками менше, ніж для реакцій з протонами. Всі інші закономірності для σ від E якісно залишаються такими ж, як і для р. Ядерні реакції з Дейтон мають ряд суттєвих особливостей. За допомогою реакцій з Дейтон d отримують велику кількість радіоактивних ізотопів: Na24, Р32, J131, Br82, Cu64 та ін, так як α-частинки легше прискорити, ніж р, і ці реакції володіють великими виходами. Реакції, що йдуть під впливом ү-квантів, називають фотоядерних; вони спостерігаються, тільки коли енергія ү-кванта більше енергії зв'язку частинок у ядрі, і служать для визначення цих енергій. Вивчено реакції з тритонами - ядрами тритію типу (t, α) і (t, n) на легких ядрах. Термоядерні реакції зазначеного типу протікають при вибуху водневих бомб.

В останні роки здійснені ядерні реакції під впливом багатозарядних іонів. Наприклад, Li6 (Li6, α) В10; С12 (С12, α) Ne20. При бомбардуванні ядер багатозарядними іонами спостерігаються реакції з передачею нейтрона: Mg24 (N14, N13) Mg25 та ін При великих енергіях бомбардують частинок (> 100 МеВ) спостерігається послідовне випускання (випаровування) нуклонів і легких частинок d, a, t з енергією 10 - 15 Мев з сильно збудженого ядра, а також розпад ядра на окремі частини, що складаються з декількох нуклонів (утворення зірок). При дуже великих енергіях (близько 1000 МеВ) спостерігається повне розщеплення ядра на окремі нуклони. При збільшенні енергії до 100 Мев і вище довжина хвилі нуклона X стає менше поперечника нуклона, і тому спостерігається взаємодія бомбардуючих часток з окремими нуклонами ядра, внаслідок чого ядро ​​стає частково прозорим і його повне σ стає менше геометричного. При розщепленні ядер на окремі осколки буває важко ідентифікувати їх. Процеси розщеплення ядер частинками надвисоких енергій відіграють істотну роль у космічних променях. При надвисоких енергіях ядерні реакції протікають з утворенням нових частинок: мезонів, гіперонів, антипротонів, антинейтрони та ін, які утворюються при взаємодії бомбардуючих часток з окремими нуклонами.