Ядерная реакция – это превращение атомных ядер при взаимодействии с элементарными частицами (в т.ч. и с γ-квантами) или друг с другом. Наиболее распространенным видом ядерной реакции является реакция, записываемая символически следующим образом:

\(X + a \to Y + b\), или \(X(a,b)Y\),

где X и Y – исходные и конечные ядра; а и b – бомбардирующая и испускаемая (или испускаемые) в ядерной реакции частица.

В ядерной физике эффективность взаимодействия характеризуют эффективным сечением σ. С каждым видом взаимодействия частицы с ядром связывают своё эффективное сечение: эффективное сечение рассеяния; эффективное сечение поглощения.

Эффективное сечение ядерной реакции σ находится по формуле

\(\sigma = {\rm{d}}N/(nN{\rm{d}}x)\),

где N – число частиц, падающих за единицу времени на единицу площади поперечного сечения вещества, имеющего в единице объёма n ядер;
dN – число этих частиц, вступающих в реакцию в слое толщиной dx. Эффективное сечение σ имеет размерность площади и характеризует вероятность того, что при падении пучка частиц на вещество произойдёт реакция.

Единица измерения эффективного сечения ядерных процессов – барн (1 барн = 10^–28 м²).

В любой ядерной реакции выполняютсязаконы сохранения электрических зарядов и массовых чисел: сумма зарядов (и сумма массовых чисел) ядер и частиц, вступающих в реакцию, равна сумме зарядов (и сумме массовых чисел) конечных продуктов (ядер и частиц) реакции. Выполняются также законы сохранения энергии, импульса и момента импульса.

В отличие от радиоактивного распада, который всегда протекает с выделением энергии, ядерные реакции могут быть как экзотермические (с выделением энергии), так и эндотермические (с поглощением энергии).

Важнейшую роль в объяснении механизма многих ядерных реакций сыграло предположение Н. Бора (1936 г.) о том, что ядерные реакции протекают в две стадии по следующей схеме:

\(X + a \to C \to Y + b\).

Первая стадия – это захват ядром X частицы a, приблизившейся к нему на расстояние действия ядерных сил (примерно 2*10^-15 м), и образование промежуточного ядра С, называемого составным (или компаунд-ядром). Энергия влетевшей в ядро частицы быстро распределяется между нуклонами составного ядра, в результате чего оно оказывается в возбуждённом состоянии. При столкновении нуклонов составного ядра один из нуклонов (или их комбинация, например дейтрон) или
α-частица могут получить энергию, достаточную для вылета из ядра. В результате наступает вторая стадия ядерной реакции – распад составного ядра на ядро Y и частицу b.

В ядерной физике вводится характерное ядерное время – время, необходимое для пролета частицей расстояния порядка величины, равной диаметру ядра (d ≈ 10^-15 м).

Ядерные реакции классифицируются по следующим признакам:

• по роду участвующих в них частиц – реакции под действием нейтронов; реакции под действием заряженных частиц (например: протонов, дейтронов, α-частиц); реакции под действием γ-квантов;
• по энергии вызывающих их частиц – реакции при малых энергиях (порядка электронвольт), происходящие в основном с участием нейтронов; реакции при средних энергиях (порядка до нескольких МэВ), происходящие с участием γ-квантов и заряженных частиц (протоны, α-частицы); реакции, происходящие при высоких энергиях (сотни и тысячи МэВ), приводящие к появлению отсутствующих в свободном состоянии элементарных частиц и имеющих большое значение для их изучения;
• по роду участвующих в них ядер – реакции на лёгких ядрах (А < 50); реакции на средних ядрах (50 < A < 100); реакции на тяжёлых ядрах (A > 100);
• по характеру происходящих ядерных превращений – реакции с испусканием нейтронов; реакции с испусканием заряженных частиц; реакции захвата (в этих реакциях составное ядро не испускает никаких частиц, а переход в основное состояние происходит при испускании одного или нескольких γ-квантов).