En kärnreaktion är en process som uppstår när en atoms kärna förlorar subatomära partiklar i den grad att dess egenskaper förändras. Den ursprungliga atomen i ett grundämne som genomgår en kärnreaktion kan antingen bli en annan isotop eller variation av samma grundämne eller så kan den bli ett helt annat grundämne. Kärnreaktioner är nära besläktade med strålning i allmänhet, som kan uppstå spontant utanför en reaktion. Strålning beskriver helt enkelt processen med energi eller föremål som emitteras från en atom eller annan partikel. Termen kärnreaktion hänvisar emellertid vanligtvis specifikt till en situation där två atomers kärnor kolliderar och förändrar egenskaperna hos åtminstone en av kärnorna.
En kärnreaktion kan ske i många olika former, var och en ger avsevärt olika resultat. I en fissionsreaktion delar sig en stor och ofta instabil partikel, antingen spontant eller som ett resultat av en kollision, i två olika partiklar. Motsatsen inträffar i en fusionskärnreaktion: två mindre partiklar kolliderar och deras kärnor kombineras för att bilda en större partikel. Fusionsreaktioner förekommer naturligt i stjärnor, men de flesta mänskliga försök att effektivt och effektivt kontrollera dem har misslyckats. I en spallationsreaktion träffas en kärna med tillräckligt med rörelsemängd för att avlägsna flera neutroner eller protoner, och därigenom minska partikelns atomvikt.
Kärnreaktioner med fission används i kärnreaktorer för att producera användbar energi. Instabila partiklar kolliderar och splittras, vilket genererar en betydande mängd kinetisk och termisk energi. Denna energi kan skördas av kärnreaktorn och användas för mänskliga angelägenheter. Det finns ett stort intresse för användningen av fusionsreaktioner för att generera kraft, eftersom de tenderar att frigöra en betydande mängd energi. Tyvärr är fusionsreaktioner utomordentligt svåra att kontrollera – de förekommer naturligt i de högtrycks- och högenergiförhållanden som finns på stjärnor, och sådana förhållanden är mycket svåra att replikera.
Det finns flera olika typer av partiklar som vanligtvis emitteras från kärnor under en kärnreaktion. Alfa-partiklar är i huvudsak samma som heliumatomernas kärnor och är sammansatta av två neutroner och två protoner bundna tillsammans. Beta-partiklar är helt enkelt elektroner; de har en mycket mindre massa och en negativ laddning. Neutroner frigörs också i kärnreaktioner; de är mycket penetrerande eftersom de har en neutral laddning så det finns få krafter som hindrar dem från att passera genom olika ämnen, inklusive mänsklig hud. Gammastrålar är strålar som lämnar kärnan i form av ren energi; de är också mycket penetrerande och kan passera genom nästan vad som helst på grund av deras obefintliga massa och neutrala laddning.