用一定能量的粒子轰击原子核，使之发生变化的过程，称为核反应（nuclear reaction）。核反应表示为：

通常简写为：A（a，b）B；或（a，b）。

式中a为入射粒子，称为轰击粒子。轰击粒子可以是α粒子（α）、质子（p）、中子（n）、光子（γ）、氘核（d）或重离子（HI）等；A为轰击的对象，称为靶核；b为反应后的出射粒子；B为剩余核。在某些情况下，反应后的产物可以是三体或多体，即出射粒子可不止一个，可有两个或两个以上。例如： ¹⁴N（α，p） ¹⁷O表示用α粒子轰击 ¹⁴N，生成 ¹⁷O并发射出质子； ⁶⁰Ni（α，pn） ⁶²Cu表示用α粒子轰击 ⁶⁰Ni，生成 ⁶²Cu并发射出质子和中子。

必须使轰击粒子和靶核的距离接近到核力作用范围之内，即小于10 ^-14m的数量级，才能发生核反应。核反应是产生放射性核素的重要途径。

核反应与核衰变都能使核发生改变，它们之间的区别为：①核衰变是自发的，而核反应是外在作用的结果；②核反应过程对原子核内部结构的扰动以及所牵涉的能量变化要比核衰变过程大的多。

核反应有多种分类方法，可以用实现途径、入射粒子的种类、出射粒子的种类及入射粒子的能量等来分类。

这种方法由于入射粒子强度弱，能量单一，反应产额较低，能量调节困难，目前已很少采用。

宇宙射线能量一般较高，可用来研究高能核反应，但强度很弱，观察到的机会很小。

这是实现人工核反应的主要途径。加速器及反应堆能产生多种粒子，其能量和强度都比放射源提供的大得多，而且可以调节。

入射粒子为中子，由于中子不带电，不存在库仑位垒，能量很低的中子就会引起核反应。

入射粒子为带电的粒子，包括质子、氘核、α粒子、重离子等。

是指由高能γ光子引起的核反应。

核反应按出射粒子分为2类：

是指入射粒子和出射粒子相同的核反应。

是指入射粒子和出射粒子不同的核反应。

核反应按入射粒子能量分为3类：

（1）低能核反应（ E _a < 30MeV）。

（2）中能核反应（30MeV < E _a < 1000MeV）。

（3）高能核反应（ E _a > 1000MeV）。

反应前后的总电荷数不变。

反应前后的总质量数不变。只对低能反应适用。

反应前后体系的总能量（静止能量和动能之和）不变。

反应前后体系的总动量不变。

在反应过程中，总角动量不变。

在反应过程中，体系总的宇称不变。

核反应过程中释放出的动能，称为反应能，通常用符号Q表示。考虑反应能后，核反应表示式可写为：

反应前后系统的总动能不同，反应前后系统的静质量也不等。有的核反应静质量减少，反应后动能增大，为放能反应，反应能 Q > 0；有的核反应静质量增大，反应后动能减少，为吸能反应，反应能 Q < 0。

对于吸能反应，并不是只要入射粒子具有等于| Q|的动能就能引起反应。由于生成物还要占用一部分动能，因此根据能量-动量守恒，要求入射粒子具有比| Q|更大的动能才能引起吸能反应，所需的最低动能称为阈能。计算表明，吸能反应的阈能为| Q|（ m _A + m _a）/ m _A，式中 m _A、 m _a分别为靶核和入射粒子的静质量。

对一定的入射粒子和靶核，能发生的核反应过程往往不止一种。例如，能量为2.5MeV的氘核轰击 ⁶Li时，可以产生下面一些反应：

每一种核反应过程，称为一个反应道。反应前的道称为入射道，反应后的道称为出射道，对于同一个入射道，可以有若干个出射道；对于同一个出射道，也可以有若干个入射道。产生各个反应道的概率是不等的，而且这种概率随入射粒子能量的变化而不同。

核反应过程是一种概率性过程，满足能量-动量守恒的核反应只以一定的概率发生，描述此核反应过程发生概率的量就是核反应截面。核反应截面是核物理研究中的重要物理量，它提供核结构的重要信息，是表示入射粒子和靶核之间发生某一特定核反应概率大小的物理量。设单位时间内发生指定核反应的数目为n，薄靶（没有遮蔽）单位面积上的靶核数为N _s，单位时间打在靶上的入射粒子数为I，则一个入射粒子与一个靶核发生指定核反应的概率，即反应截面σ为：

σ具有面积量纲，单位为靶恩（barn，或b），1b = 10 ^-28m ²。它可形象地想象为一个入射粒子和靶核可以发生指定核反应的圆盘的有效面积。反应截面不等于靶核的几何截面。对于同一种靶核，反应截面的大小可因入射粒子种类、能量不同或反应类型不同而有很大不同。反应截面随入射粒子能量Ea的变化关系σ（Ea）叫做激发函数，相应的曲线叫做激发曲线。

入射粒子在靶中引起的反应数n与入射粒子数I ₀之比，称为核反应的产额。它是一个入射粒子在靶中引起反应的概率，与靶厚有关。

核反应的产额：

式中： I ₀为打在靶表面的轰击粒子数量， I为靶不同深度处的轰击粒子数量，D为靶的厚度，N _V为在单位体积靶中的靶核数量，σ（E）为靶不同深度处的反应截面（随轰击粒子的能量而变化）。

对薄靶：σ（E）= σ（E ₀）（E ₀为打在靶表面的轰击粒子的能量）， I = I ₀

核反应过程中，随反应时间的延长，产生的放射性核素增加，但放射性核素也同时衰变。当入射粒子强度I不随时间变化时，生成放射性核素的活度为：

当 t >> T _1/2时， A = N _s σI；t << T _1/2时， A = N _s σIλt。

1919年，卢瑟福用天然放射源实现了历史上第一个人工核反应。1932年，实现了第一个直线加速器加速粒子轰击靶核引起的核反应。为了得到更高能量的轰击粒子，先后有了回旋加速器（cyclotron）、电子感应加速器（Betatrons）、回旋谐振式加速器等加速带电粒子的装置。这里主要介绍用来生产PET用正电子核素的医用回旋加速器中发生的核反应。

正电子核素为富质子核素，由带正电粒子轰击靶核生成。通过回旋加速器获得带正电的高速入射粒子。有些回旋加速器直接加速带正电的粒子，加速后，作为入射粒子轰击靶核。例如：质子、氘核及氦核等。有些回旋加速器加速带负电的粒子——负离子。例如，带两个电子的氢负离子。负离子回旋加速器利用碳剥离膜（stripping foil）（简称碳膜）来完成高能粒子束的引出。当粒子束流的能量达到所需的最大能量时，穿过碳膜，两个约束松弛的外层电子被剥离，负离子失去电子，转变为正离子，作为入射粒子轰击靶核。

加速器有单粒子加速器和多粒子加速器，单粒子加速器仅加速单一的粒子，多粒子加速器可以对两种以上的带电粒子进行加速，以多种核反应谱来完成正电子核素的生产。目前，常用的医用回旋加速器得到的轰击粒子主要为质子（氢核）和氘核。不同的加速器可获得不同能量的粒子，质子的能量在9.6～32MeV，氘核的能量在3.8～16MeV。

轰击粒子：质子；

靶核： ¹⁸O；

出射粒子：中子；

生成核： ¹⁸F；

这是生产 ¹⁸F常用的方法，使用质子加速器，产额较高，但靶材料 ¹⁸O水昂贵。

轰击粒子：氘核；

靶核： ²⁰Ne；

出射粒子：α粒子；

生成核： ¹⁸F；

这种方法优点是靶材料便宜，但需提供加速的氘核。

轰击粒子：氘核；

靶核： ¹⁴N；

出射粒子：中子；

生成核： ¹⁵O；

这种方法优点是靶材料（ ¹³N）便宜，但需提供加速的氘核。

轰击粒子：质子；

靶核： ¹⁵N；

出射粒子：中子；

生成核： ¹⁵O；

这种方法使用质子加速器，但靶材料（ ¹⁵N）昂贵。

¹⁶O（p，α） ¹³N

轰击粒子：质子；

靶核： ¹⁶O；

出射粒子：α粒子；

生成核： ¹³N；

这种方法优点是靶材料（普通水）便宜，但需高能质子，且反应截面小。

¹⁴N（p，α） ¹¹C

轰击粒子：质子；

靶核： ¹⁴N；

出射粒子：α粒子；

生成核： ¹¹C；

这种方法是生产 ¹¹C常用的方法，靶材料（ ¹⁴N）便宜，并使用质子加速器。

表1-2-1所示为加速器核反应生产的医学常用放射性核素。由带正电的粒子轰击的核反应，产生的多为富质子核素，其衰变类型为β ⁺衰变或EC衰变。

铀核受中子轰击发生裂变时，还同时放出2～3个中子，且释放出能量。铀裂变产生的中子又会引起其他铀核裂变，这样裂变反应就能连续不断地进行下去，而且规模越来越大，这种反应成为链式反应。

原子弹爆炸时的链式反应速度是无法控制的。核反应堆，是一种用人工方法控制链式反应的装置。

核反应堆内有用以产生可控核裂变链式反应并保证安全运行的各类材料，除核燃料外，还包括冷却剂、慢化剂、反射层材料、结构材料、控制材料和屏蔽材料等。核反应堆材料一般在高温、腐蚀介质和辐照等特殊条件下工作，因此对它们的物理、化学和力学性能有严格要求。

①提供原子能。例如，核电站及用于推进船舶、飞机、火箭等；②生产放射性核素。反应堆是生产人工放射性核素的主要方法之一。堆中产生的中子可作为轰击粒子产生各种核素；③中子源。反应堆能产生强大的中子流，用来做各种核物理研究及核加工工作，是进行基础科学和应用科学研究的一种有效工具；④生产新的核燃料。

反应堆实现的核反应指用中子作为轰击粒子发生的核反应。中子不带电，轰击靶核时，不受库仑力的影响。中子被靶核俘获的概率与中子在靶核附近逗留时间有关，该时间由中子速度决定。速度越小，逗留时间越长，被靶核俘获的概率越大。中子根据能量大小分为快中子、慢中子和热中子。热中子（能量小于0.03MeV）是理想的轰击粒子。

反应堆实现的核反应主要有：

（1）中子裂变反应。重核如 ²³⁵U俘获中子发生裂变，记作（n，f），裂变同时还放出2～3个瞬发中子，并释放很大的裂变能。

（2）中子辐射俘获。中子被核俘获后形成复合核，然后通过放出一个或多个γ光子退激，记作（n，γ）。反应物与生成物原子序数相同，但生成物的质量数增加1。

（3）中子被核吸收并放出2个、3个、甚至多个中子的反应，例如，（n，2n），（n，3n）……。

（4）发射带电粒子的（n，X）反应。例如，（n，p）（n，α）反应。

表1-2-2所示为反应堆核反应生产的医学常用放射性核素。由中子轰击的核反应，产生的大多为丰中子核素，衰变类型为β ^-衰变。