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原子核物理学および原子核化学において、核反応とは、2つの原子核、または原子核と外部の素粒子が衝突して1つ以上の新しい核種を生成する過程のことである。したがって、核反応は少なくとも1つの核種を別の核種に変化させるものでなければならない。原子核が別の原子核または粒子と相互作用し、その後、核種の性質を変えることなく分離する場合、その過程は核反応ではなく、単に核散乱の一種と呼ばれる。
原理的には、反応には2つ以上の粒子が衝突する可能性があるが、3つ以上の原子核が同時に同じ場所で出会う確率は2つの原子核の場合よりもはるかに低いため、そのような事象は極めてまれである（ 3体核反応に非常に近い例として、トリプルアルファ過程を参照）。「核反応」という用語は、他の粒子との衝突によって誘発される核種の変化、または衝突を伴わない核種の自発的な変化のいずれかを指す場合がある。
宇宙線と物質の相互作用によって自然核反応が起こり、また、核反応は人工的に利用して、必要に応じて調整可能な速度で核エネルギーを得ることができる。核分裂性物質における核連鎖反応は、誘導核分裂を引き起こす。軽元素の様々な核融合反応は、太陽や恒星のエネルギー生成の動力源となっている。ほとんどの核反応（核融合と核分裂）は、原子核の変換（核変換とも呼ばれる）をもたらす。
1919年、アーネスト・ラザフォードはマンチェスター大学で、窒素にアルファ粒子を照射して窒素を酸素に変換することに成功した（14N + α → 17O + p）。これは誘導核反応の最初の観測であり、つまり、ある崩壊から生じた粒子を用いて別の原子核を変換する反応である。最終的に、1932年にケンブリッジ大学で、ラザフォードの同僚であるジョン・コッククロフトとアーネスト・ウォルトンは、リチウム7に人工的に加速した陽子を照射して原子核を2つのアルファ粒子に分裂させることで、完全に人工的な核反応と核変換を達成した。この偉業は一般に「原子の分裂」として知られていたが、後に（1938年に）ドイツの科学者オットー・ハーン、リーゼ・マイトナー、フリッツ・シュトラスマンによって重元素で発見された現代の核分裂反応ではなかった。[ 1 ]
核反応は化学反応式に似た形で表すことができ、その式では不変質量が両辺で釣り合っていなければならず、粒子の変換は電荷やバリオン数（全原子質量数）の保存則など、特定の保存則に従わなければならない。この表記法の例を以下に示す。
上記の質量、電荷、質量数に関する方程式のバランスをとるには、右から2番目の原子核は原子番号2、質量数4でなければなりません。したがって、これもヘリウム4です。したがって、完全な方程式は次のようになります。
あるいはもっと簡単に言うと：
上記のスタイルの完全な方程式を使用する代わりに、多くの場合、核反応を記述するために簡潔な表記法が使用されます。この A(b,c)D の形式は、A + b が c + D を生成することと同等です。一般的な軽い粒子は、この略記法でよく省略され、通常、陽子は p、中性子は n、重水素はd 、アルファ粒子またはヘリウム 4は α、ベータ粒子または電子は β、ガンマ光子は γなどです。上記の反応は6 Li(d,α)α と書かれます。[ 2 ] [ 3 ]
反応の過程で運動エネルギーが放出される場合（発熱反応）、または反応が起こるために運動エネルギーが供給される必要がある場合（吸熱反応）があります。これは、非常に正確な粒子の静止質量の表[ 4 ]を参照して次のように計算できます。参照表によると、6 3 Li原子核の標準原子量は6.015ダルトン（記号Da）、重水素は2.014 Da、ヘリウム4原子核は4.0026 Daです 。したがって、次のようになります。
核反応では、全（相対論的）エネルギーは保存される。したがって、「失われた」静止質量は、反応で放出される運動エネルギーとして再び現れるはずであり、その源は核結合エネルギーである。アインシュタインの質量エネルギー等価式E = mc²を用いると、放出されるエネルギー量を決定することができる。まず、 1ダルトンのエネルギー等価量が必要である。
したがって、放出されたエネルギーは 0.0238 × 931 MeV = 22.2 MeVです。
別の言い方をすれば、質量が0.3%減少し、これは90 PJ/kgの0.3%に相当し、270 TJ/kgとなる。
これは核反応としては膨大なエネルギー量です。このエネルギー量が非常に高いのは、ヘリウム4原子核の核子あたりの結合エネルギーが異常に高いためです。これは、ヘリウム4原子核が「二重魔法数」であるためです。（ヘリウム4原子核が異常に安定で強く結合しているのは、ヘリウム原子が化学的に不活性であるのと同じ理由です。ヘリウム4の陽子と中性子の各ペアは、ヘリウム原子の電子ペアが満たされた1s電子軌道を占めるのと同様に、満たされた1s核軌道を占めています。）その結果、アルファ粒子は核反応の右側に頻繁に現れます。
核反応で放出されるエネルギーは、主に次の3つの方法で現れる。
生成物の原子核が準安定状態にある場合、原子番号の横にアスタリスク（*）を付けることで示されます。このエネルギーは最終的に核崩壊によって放出されます。
少量のエネルギーがX線として放出される場合もある。一般的に、生成物の原子核は元の原子核とは異なる原子番号を持つため、電子殻の配置が不適切となる。電子が再配置されてより低いエネルギー準位に遷移する際に、内部遷移X線（明確な発光線を持つX線）が放出される可能性がある。
化学反応式に類似した方法で反応式を記述する際には、反応エネルギーを右辺に加えることもできる。
上記で議論した特定のケースでは、反応エネルギーは既にQ = 22.2 MeVと計算されている。したがって、次のようになる。
反応エネルギー（「Q値」）は、発熱反応では正、吸熱反応では負の値をとります。これは化学における同様の表現とは逆です。一方では、最終側と初期側の運動エネルギーの合計の差です。しかし他方では、初期側と最終側の原子核の静止質量の差でもあります（このようにして、上記のQ値を計算しました）。
反応式が平衡しているからといって、実際に反応が起こるとは限りません。反応速度は、入射粒子のエネルギーとフラックス、そして反応断面積に依存します。反応速度の大規模なデータベースの一例として、合同原子核天体物理学研究所が管理するREACLIBデータベースが挙げられます。
反応の始まりとなる最初の衝突では、粒子は短距離の強い力が作用するのに十分な距離まで接近する必要があります。一般的な原子核粒子のほとんどは正に帯電しているため、反応が始まる前にかなりの静電反発力を克服しなければなりません。標的となる原子核が中性原子の一部であっても、もう一方の粒子は電子雲をはるかに超えて、正に帯電した原子核に接近する必要があります。したがって、このような粒子はまず、例えば次のような方法で高エネルギーまで加速されなければなりません。
また、反発力は2つの電荷の積に比例するため、重い原子核同士の反応は、重い原子核と軽い原子核同士の反応よりもまれであり、より高い開始エネルギーを必要とする。一方、2つの軽い原子核同士の反応は最も一般的な反応である。
一方、中性子は反発力を引き起こす電荷を持たないため、非常に低いエネルギーで核反応を開始することができます。実際、極めて低い粒子エネルギー（例えば、室温での熱平衡状態）では、中性子のド・ブロイ波長が大幅に増加し、関与する原子核の共鳴エネルギーに近いエネルギーでは、捕獲断面積が大幅に増加する可能性があります。したがって、低エネルギー中性子は、高エネルギー中性子よりも反応性が高い場合もあります。
核反応の種類は膨大ですが、より一般的であったり、あるいは特に注目すべき種類がいくつかあります。例としては、以下のようなものがあります。
中間エネルギーの入射粒子は、 10⁻²¹秒という短い時間で、原子核にエネルギーを伝達したり、核子を受け取ったり失ったりする。エネルギーと運動量の伝達は比較的小さい。これらの粒子は、反応機構が十分に単純で、標的原子核の構造を調べるのに十分な精度で計算できることが多いため、実験核物理学において特に有用である。
エネルギーと運動量のみが伝達される。
エネルギーと電荷は、発射体と標的の間で伝達される。この種の反応の例としては、以下のようなものがある。
通常、中程度の低エネルギーでは、1つまたは複数の核子が入射粒子と標的の間で移動します。これらは原子核の外殻構造を研究するのに役立ちます。核子移動反応は次のように起こり得ます。
例：
中性子との反応は、原子炉や核兵器において重要である。最もよく知られている中性子反応は、中性子散乱、中性子捕獲、核分裂であるが、一部の軽核（特に奇奇核）では、熱中性子との最も起こりやすい反応は移行反応である。
一部の反応は高速中性子によってのみ可能である。
低エネルギーの入射粒子が吸収されるか、高エネルギーの粒子が原子核にエネルギーを伝達し、原子核がエネルギー過剰になり、完全に結合できなくなる。約10⁻¹⁹秒の時間スケールで、粒子（通常は中性子）が「蒸発」する。つまり、十分なエネルギーが1つの中性子に集中して相互の引力から逃れるまで、原子核は結合したままとなる。励起された準結合原子核は複合原子核と呼ばれる。