Branduolinė reakcija – tai procesas, kurio metu atomų branduoliai sąveikauja su kitais branduoliais ar elementariosiomis dalelėmis, sukeldami branduolių virsmus (pvz., skilimą). Šio proceso schema yra: \(X + a \rightarrow Y + b\), kur \(X\) yra pradinis branduolys, \(a\) – sąveikaujanti dalelė, \(Y\) – naujas branduolys, o \(b\) – atsirandanti dalelė (gali atsirasti ir kelios dalelės). Branduolines reakcijas galima inicijuoti apšaudant branduolius dalelėmis, pavyzdžiui, neutronais, arba pasitelkiant dalelių greitintuvus. Tokios reakcijos taip pat vyksta branduoliniuose reaktoriuose.

Branduolinės reakcijos energija (\(\Delta E\)) apibrėžiama kaip reakcijoje dalyvaujančių branduolių ir dalelių kinetinių energijų skirtumas po reakcijos ir prieš ją: \(\Delta E = E' - E''\), kur \(E'\) yra dalelių ir branduolių kinetinė energija po reakcijos, o \(E''\) – prieš reakciją. Egzoterminių reakcijų metu energija išsiskiria (\(\Delta E > 0\)), o endoterminių – sugeriama (\(\Delta E < 0\)). Energijos pokytį galima apskaičiuoti pagal formulę \(\Delta E = (m_1 + m_2)c^2 - (m_3 + m_4)c^2\), kur \(m_1\), \(m_2\) yra pradinių dalelių masės, o \(m_3\), \(m_4\) – reakcijos produktų masės.

Yra daugybė galimų branduolinių reakcijų tipų. Pavyzdžiui: 1) Branduolys sugeria dalelę ir išspinduliuoja gama kvantus; 2) Branduolys sugeria dalelę ir virsta kito elemento branduoliu (gali išspinduliuoti gama kvantą); 3) Branduolys sugeria dalelę, virsta kito elemento branduoliu ir išspinduliuoja naują dalelę; 4) Branduolys sugeria dalelę ir skyla į du naujus branduolius, išspinduliuodamas daleles.

1919 metais Ernestas Rezerfordas įvykdė pirmąją branduolinę reakciją, kurios metu azoto branduoliai buvo apšaudomi \(\alpha\) dalelėmis, ir buvo gautas deguonis: \(^{14}_7N + ^4_2He \rightarrow ^{17}_8O + ^1_1H\). Šis eksperimentas parodė, kad protonas (\(^1_1H\)) yra atomo branduolio dalis. Neutronas taip pat buvo atrastas (1932 m.) branduolinės reakcijos metu: \(^9_4Be + ^4_2He \rightarrow ^{12}_6C + ^1_0n\). Branduolinės reakcijos gali vykti savaime (pvz., žvaigždėse) arba laboratorinėmis sąlygomis.

Radioaktyviojo \({}^{14} \text{C}\) izotopo koncentracija atmosferoje ir gyvuose organizmuose yra pastovi. Organizmui mirus, \({}^{14} \text{C}\) kiekis pradeda mažėti pagal radioaktyviojo skilimo dėsnį. Todėl, išmatavus \({}^{14} \text{C}\) kiekį iškasenoje, galima nustatyti jos amžių. Pavyzdžiui, jei \({}^{14} \text{C}\) kiekis yra sumažėjęs dvigubai, tai reiškia, kad iškasenos amžius atitinka \({}^{14} \text{C}\) pusėjimo trukmę (5700 metų).