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.
Se o núcleo filho é o do oxigênio 17, a reação é a seguinte:
a + 14N7 
[ 18F9 ] 17O8 + p
[ 18F9 ] 17O8 + p O núcleo composto persiste como entidade única por um intervalo de tempo muito pequeno (menos de 10-19 s), decaindo para um estado mais estável com a emissão de um próton.
Como as energias de ligação da partícula a, do núcleo de nitrogênio 14 e do núcleo de oxigênio 17 são:
E(a) = [ 2 ( 1,0078 ) + 2 ( 1,0087 ) - 4,0026 ] 931,4815 MeV = 28,3170 MeV 
28 MeV
28 MeV E(N) = [ 7 ( 1,0078 ) + 7 ( 1,0087 ) - 14,0031 ] 931,4815 MeV = 104,6985 MeV 105 MeV
105 MeV E(O) = [ 8 ( 1,0078 ) + 9 ( 1,0087 ) - 16,9991 ] 931,4815 MeV = 131,8978 MeV 132 MeV
132 MeVe como a partícula a incide com uma energia cinética de cerca de 7 MeV, o próton emitido tem uma energia cinética de cerca de ( - 28 - 105 + 7 + 132 ) MeV = 6 MeV.
Um núcleo composto pode decair por qualquer processo que não viole os princípios de conservação. Por exemplo:
| 27Al13 + p [ 28Si14 ] | 24Mg12 + a |
| 27Si14 + n | |
| 28Si14 + g | |
| 24Na11 + 3p + n |
Ainda como exemplo, considere as seguintes reações:
a + 24Mg12 [ 28Si14 ] 27Al13 + p
[ 28Si14 ] 27Al13 + p a + 9Be4 [ 13C6 ] 12C6 + n
[ 13C6 ] 12C6 + n 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. Por exemplo, um nêutron pode ser absorvido por um núcleo de prata 107 para formar um núcleo de prata 108:
107Ag47 + n [ 108Ag47 ] 108Cd48 + e- + n*
[ 108Ag47 ] 108Cd48 + e- + n* O núcleo de prata 108 não ocorre na natureza, ou seja, é um isótopo artificial da prata. Esse núcleo é radioativo e dacai emitindo um elétron e um antineutrino e produzindo um núcleo de cádmio 108.
A maioria dos núcleos artificiais são instáveis e radioativos. 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.
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