Fizica nucleara
Această ramură a fizicii se ocupă de structura nucleului atomic și radiațiile din nucleele instabile. De aproximativ 10.000 de ori mai mici decât atomul, particulele constitutive ale nucleului, protonilor și neutronilor, se atrag reciproc atât de puternic de forțele nucleare, încât energiile nucleare sunt de aproximativ 1.000.000 de ori mai mari decât energiile atomice tipice. Teoria cuantică este necesară pentru înțelegerea structurii nucleare.
La fel ca atomii excitați, nucleele radioactive instabile (fie care apar în mod natural, fie produc artificial) pot emite radiații electromagnetice. Fotonii nucleari energetici se numesc raze gamma. De asemenea, nucleii radioactivi emit alte particule: electroni negativi și pozitivi (raze beta), însoțiți de neutrini și nuclei de heliu (raze alfa).
Un instrument principal de cercetare a fizicii nucleare implică utilizarea de fascicule de particule (de exemplu, protoni sau electroni) direcționate ca proiectile împotriva țintelor nucleare. Particule de reciclare și orice fragmente nucleare rezultate sunt detectate, iar direcțiile și energiile lor sunt analizate pentru a dezvălui detalii despre structura nucleară și pentru a afla mai multe despre forța puternică. O forță nucleară mult mai slabă, așa-numita interacțiune slabă, este responsabilă pentru emisia de raze beta. Experimentele de coliziune nucleară utilizează fascicule de particule cu energie mai mare, inclusiv cele ale particulelor instabile numite mezoane produse de coliziuni nucleare primare în fabricile de mezo cu accelerație. Schimbul de mesoni între protoni și neutroni este direct responsabil de forța puternică. (Pentru mecanismul care stă la baza mezoanelor, a se vedea mai jos Forțele și câmpurile fundamentale.)
În radioactivitate și în coliziuni care duc la ruperea nucleului, identitatea chimică a țintei nucleare este modificată ori de câte ori există o schimbare a încărcării nucleare. În reacțiile nucleare de fisiune și de fuziune în care nucleele instabile sunt, respectiv, împărțite în nuclee mai mici sau amalgamate în altele mai mari, eliberarea de energie o depășește cu mult pe cea a oricărei reacții chimice.
