Ernest Rutherfordek (1871-1937) zuzendutako esperimentuei esker, atomoaren barne-egitura ulertzeko lehenengo urratsak eman ziren hogeigarren mendearen hasieran. Esperimentu horiek fisika nuklearraren abiapuntutzat jotzen dira.

Nukleoa atomoaren zentroan kokatuta dago, eta neutroiz eta protoiz osaturik dago. Nukleoko partikula horiei nukleoi deritze, eta atomoaren masa gehiena biltzen dute (% 99,9). Hala ere, atomo osoarekin alderatuta, nukleoa oso txikia da, bolumena gutxi gorabehera 1012 aldiz txikiagoa baita. Kontuan hartu behar da, bai atomoaren bolumena, eta bai nukleoarena ere, nukleoi-kopuruaren araberakoak direla.

Nukleoaren egitura azaltzeko nukleoien arteko indarrak aztertu behar dira. Batetik, nukleoiak loturik mantentzen dituen indar nuklearra dago. Indar nuklearra erakarlea da, eta interakzio bortitzaren ondorioz ageri da. Interakzio bortitza naturan dauden oinarrizko lau indarretatik indartsuena da, baina oso distantzia laburrean eragiten du soilik, eta nukleotik kanpo, 10-15-10-14 m-tik gora, ez du eraginik. Horregatik, ez du makroskopikoki eragiten. Beste aldetik, protoien artean alderapen elektrostatikoa sortzen da, haien karga elektriko positiboagatik, eta horrek protoiak sakabanatzera jotzen du. Beraz, nukleoa bi indar horien eraginez egonkortzen da.

Atomo baten nukleoa (protoiak eta neutroiak) eta elektroiak (nukleoa ez dago proportzioan irudikatuta)

Erreakzio nuklear tipiko batean, bi partikulak parte hartzen dute (nukleo astun batek eta partikula erasotzaile arin batek); erreakzioaren ondorioz, bi partikula berriak sortzen dira (hasierako nukleoa bainoa astunagoa den beste nukleo berri bat, eta partikula erasotzailea baino arinago den beste partikula bat). Talka batean, bi partikulak baino gehiagok parte har dezakete, baina hiru partikulak edo gehiagok leku berean eta aldiune berean elkar topatzeak oso probabilitate txikia dauka.

Erreakzio nuklearrean, partikula erasotzaileak atomoaren elektroi-hodeiaren barruan sartu behar du eta nukleo atomikoa kolpatu behar du; hala, indar nuklearraren eragina txikitzen da. Partikula erasotzailea positiboa bada, nukleoaren aldarapen elektrostatikoa jasoko du, eta, horregatik, energia altuetaraino azeleratu behar da derrigorrean. Partikula neutroa bada, hori ez da guztiz beharrezkoa.

Lehenengo erreakzio nuklearra 1919an behatu zen. Rutherfordek nitrogenoa bonbardatu zuen polonio erradioaktibotik lortutako alfa partikulekin. Horrela, oxigenoa eta protoi bat lortu zituen. Hori izan zen lehenengo transmutazio artifiziala, hau da, elementu kimiko batetik beste bat lortzea. Bestalde, artifizialki azeleratutako partikulen bidezko lehenengo erreakzio nuklearra 1932an lortu zen. J. D. Cockcroftek (1897-1967) eta E. T. S. Waltonek (1903-1995) protoiekin bonbardatu zuten litioa, eta handik bi helio-nukleo lortu zituzten.Erreakzio nuklearren artean, hauek dira ezagunenak:

• Fusioa: bi nukleo arin elkartzean, nukleo astunago bat lortzen da; horren ondorioz, energia askatzen da (fusio).

• Fisioa: nukleo astun bat bi edo hiru zatitan banatzen da; horren ondorioz, energia askatzen da. Prozesua berez gerta daiteke edo nukleoak partikula arin bat (neutroia, normalean) xurgatu ondoren (fisio).

• Espalazioa: energia altuko partikula batek nukleo bat jotzean, nukleoak nukleoi batzuk galtzen ditu. Horrela, transmutazioa gertatzen da, eta kolpatutako nukleoak era nabarmenean galtzen du masa. Partikula erasotzaileak gutxienez 50 MeV-eko energia izan behar du prozesua gerta dadin.

• Neutroi-harrapaketa: nukleo atomiko batek neutroi bat xurgatzen duenean, nukleo berria eta hasierako nukleoa isotopoak izango dira. Gainera, sortutako isotopoa erradioaktiboa izan daiteke (erradioaktibitate).

• Strippinga: nukleo erasotzaileak doi-doi ukitzen du bonbardatutako nukleoa. Azken horrek nukleoi batzuk kentzen dizkio nukleo erasotzaileari. Dena dela, nukleo erasotzailearen gainontzeko nukleoiek hasierako higidurarekin jarraitzen dute.

• Fotodesintegrazioa edo fototransmutazioa: nukleo batek energia altuko erradiazio elektromagnetikoa xurgatzen du (adibidez, gamma izpiko fotoia). Horren ostean, nukleoak nukleoi bat edo gehiago igortzen ditu, hala nola protoia, neutroia edo alfa partikula. Era honetan, hasierako elementuaren transmutazioa gertatzen da.

Ikusten denez, holako erreakzio nuklearretan ohikoa izaten da nukleo erradioaktiboak sortzea, baina erradioaktibitatea berez ez da erreakzio nuklearra.

Erreakzio nuklear batean, magnitude fisiko batzuk kontserbatu behar dira ezinbestean. Hau da, prozesuaren aurretik eta ondoren haien balioek berdinak izan behar dute. Esate baterako, sistemaren energia erlatibista kontserbatu behar da. Energia erlatibista bi energiaren batura da, energia zinetikoaren eta pausaguneko masari dagokion energiaren batura, alegia. Horretaz gain, momentu lineala, momentu angeluarra eta karga elektrikoa ere kontserbatu behar dira, baita nukleoiekin loturik dauden beste magnitude batzuk ere, adibidez, nukleoi-kopurua.

Erreakzio nuklearrak ekuazio baten bidez adieraz daitezke, ekuazio kimiko baten moduan. Partikula bakoitzaren ezkerrean, bere zenbaki atomikoa (azpian) eta zenbaki masikoa (goian) adierazten dira. Ekuazioaren alde bietan, zenbaki masikoen batuketak berdina izan behar du, eta gauza bera gertatzen da zenbaki atomikoekin, karga elektrikoaren kontserbazio-printzipioagatik. Adibidez, Rutherfordek 1919an behatutako erreakzioa (ikus hurrengo irudia) honela adierazten da:

${}_2{}^4\text{He}+{}_7{}^{\text{14}}\text{N}\to {}_8{}^{\text{17}}\text{O}+{}_1{}^1\text{H}$

Batzuetan, erreakzio nuklearra gertatzeko, energia eman behar zaio sistemari (erreakzio endotermikoa); beste batzuetan, berriz, energia askatu egiten da prozesuan zehar (erreakzio exotermikoa). Erreakzio nuklearrean askatutako energia hiru modutan azaltzen da: sortu berri diren partikulen energia zinetikoan, energia altuko fotoietan (gamma izpiak, X izpiak) edo nukleoan bertan, egoera kitzikatuan geratu delako. Partikulak azeleratzeko gaitasuna handitzen ari da etengabe, eta, horri esker, zientzialariak oso erreakzio nuklear energetikoak ari dira aztertzen. Horrelako erreakzioetan partikula subatomiko multzo handi bat sortzen da: mesoiak, barioiak...

Rutherfordek behatutako erreakzio nuklearra. Elektroiak ez daude irudikatuta