Quando dois núcleos se movem um em direção ao outro e, apesar da repulsão coulombiana, se aproximam o suficiente para que haja interação entre as partículas de um com as partículas do outro pela força nuclear, pode ocorrer uma redistribuição de núcleons e diz-se que aconteceu uma reação nuclear.
Usualmente, as reações nucleares são produzidas bombardeando-se um núcleo alvo com um projétil que pode ser algum tipo de partícula ou núcleo pequeno, de modo que a repulsão coulombiana não se torne um obstáculo muito grande. As reações que envolvem energias não muito grandes ocorrem em duas fases. Na primeira fase, o núcleo alvo e o projétil se agrupam, formando o que se chama de núcleo composto num estado altamente excitado. Na segunda fase, o núcleo composto decai por qualquer processo que não viole os princípios de conservação.
Por exemplo, uma partícula a com uma energia cinética de cerca de 7 MeV colide com um núcleo de nitrogênio 14. O resultado é um núcleo composto que consiste de todos os núcleons da partícula a e do nitrogênio 14 num estado altamente excitado. Esse núcleo composto, sendo constituído de 9 prótons, é um núcleo de fluor. Como esse núcleo composto está num estado altamente excitado, pode-se esperar que ele emita uma partícula (ou um fóton) no processo de passagem a um estado menos excitado ou ao estado fundamental do núcleo filho.
Cinética das reações nucleares
Essas reações são interessantes porque produzem prótons e nêutrons com grandes energias cinéticas. Por outro lado, as partículas a de fontes radioativas naturais são efetivas para produzir transformações nucleares apenas em núcleos com números atômicos menores que Z = 19 (correspondente ao potássio) devido à intensidade da repulsão coulombiana entre essas partículas a e os núcleos atômicos alvo. Nêutrons, ao contrário, podem penetrar, em princípio, qualquer núcleo, já que não são repelidos pelos prótons.
Reações artificiais
Os núcleos radioativos artificiais são produzidos por reações nucleares. Os elementos transurânicos, em particular, são normalmente produzidos pela captura de nêutrons seguida de decaimento b-.
Por outro lado, o que se chama de espalhamento é a reação nuclear em que projétil e partícula liberada são a mesma partícula. O espalhamento é elástico quando, durante o processo, não varia a energia cinética da partícula, e inelástico, caso contrário.
Fissão nuclear
A fissão é a divisão do núcleo de um átomo, pelo bombardeamento com nêutrons, em dois núcleos menores com liberação de grande quantidade de energia.
A quantidade de energia armazenada nos núcleos atômicos é incomparavelmente maior que a armazenada nas ligações químicas presentes nas camadas eletrônicas. Só para se ter uma ideia, se todos os núcleos de 1 kg de urânio-235 se desintegrassem por fissão, seria liberada mais de um milhão de vezes a quantidade de energia produzida na combustão de 1 kg de petróleo.
Em 1934, o físico italiano Enrico Fermi, descobriu como liberar energia armazenada nos núcleos dos átomos, através da reação de fissão nuclear em cadeia. Em 1938, Hahn e Strassmann, repetindo a mesma experiência, constataram a existência de bário-142 entre os produtos obtidos. No mesmo ano, Meitner e Frisch explicaram o fenômeno admitindo a quebra ou fissão ou desintegração do átomo de urânio-235.
Fusão nuclear
A fusão nuclear é o processo pelo qual átomos menores (hidrogênio 1H1, deutério 1H2, etc.) são agregados, produzindo átomos maiores (trítio 1H3, hélio 2He3 ou hélio 2He4) com liberação de grande quantidade de energia. Reações desse tipo ocorrem no Sol e estrelas.
É muito difícil se fazer aqui na Terra a fusão nuclear devido a exigência de temperaturas elevadíssima (300 000 000ºC) e de recipientes capazes de suportar essa temperatura, o que seria ideal pois não deixa rejeitos radioativos como na fissão.
Essa façanha só foi realizada, até hoje, nas bombas de hidrogênio com o auxílio de uma bomba atômica que, ao explodir, fornece a temperatura necessária para a fusão do hidrogênio. Em outras palavras, a bomba atômica funciona como espoleta da bomba de hidrogênio; desse modo, são conseguidas explosões de até 500 megatons (2,092 x 1018 J), o que equivale a energia liberada pela explosão de 500.000.000 toneladas de TNT.
A primeira bomba de hidrogênio foi construída por Edward Teller e seus colaboradores e explodiu em 1952.
Segundo as estimativas dos cientistas, a utilização de forma economicamente viável e segura, da energia produzida pela fusão nuclear ocorrerá somente no final do próximo século.
