Phản ứng hạt nhân là tương tác hạt nhân do hạt "đạn" bắn phá vào hạt nhân rồi dẫn đến sau phản ứng thường sinh ra hai hạt: một hạt nhân và một hạt bay ra.
Phản ứng hạt nhân được diễn tả dưới dạng một quá trình như sau:
Phản ứng này có thể viết gọn:
A(a,b)B.
Ký hiệu nêu trên có nghĩa là hạt a bắn phá vào hạt nhãn A, sẽ làm bay ra hạt b và sinh ra hạt nhân B.
Trong các thí nghiệm người ta dùng các máy gia tốc để tạo được các hạt "đạn" năng lượng lớn có thể xuyên vào hạt nhân gây ra phản ứng hạt nhân.
Người ta phân loại phản ứng hạt nhân theo hạt bắn vào (a), hạt bay ra (b) và hạt nhân B được sinh ra. Nếu hạt bắn vào và hạt bay ra giống nhau, ta có phản ứng tán xạ
và nếu hạt nhân B ở trạng thái năng lượng thấp (trạng thái cơ bản) thì tán xạ là đàn hồi. Khi đó trạng thái nội tại của các hạt tương tác không thay đổi, nhưng động lượng và động năng các hạt thay đổi:
Nếu hạt nhân B ở trạng thái kích thích thì tán xạ là không đàn hồi. Khi đó có sự
thay đổi trạng thái nội tại của các hạt tương tác:
a' - chỉ hạt a ở trạng thái khác trước.
Trong phản ứng hạt nhân mà hạt a khác hạt b, hạt nhân A khác hạt nhân B, thì có sự thay đổi bản chất các hạt tương tác. Ví dụ phản ứng hạt nhân:
Ngoài ra còn có một loại phản ứng hoàn toàn khác. Ỏ loại phản ứng này hạt bắn vào và hạt nhân bị bắn tạo thành một hạt nhân mới gọi là hạt nhân hợp phần tồn tại ở
trạng thái kích thích trong một thời gian ngắn rồi phân rã (cỡ 10-16s, nhưng vẫn rất lớn so với thời gian hạt bắn vào đi xuyên qua hạt nhân (cỡ 10-21s ) ) .
Một hạt nhân hợp phần thường có nhiều phản ứng khác nhau tạo thành và hạt nhân hợp phần này có nhiều cách phân rã khác nhau. Ví dụ sau đây mô tả phản ứng cùng tạo thành hạt nhân hợp phần 20
10Ne ở trạng thái kích thích (20
10Ne)* và các dạng phân rã của hạt nhân này:
Các tương tác hạt nhân đều tuân theo các định luật bảo toàn: bảo toàn năng lượng, bảo toàn động lượng, bảo toàn số nuclon, bảo toàn điện tích. Trong những quá trình sinh-hủy, các tương tác hạt nhân còn tuân theo những định luật bảo toàn khác nữa, tùy thuộc tính chất phức tạp của quá trình phân hủy đó.