Physique nucléaire
Cette branche de la physique traite de la structure du noyau atomique et du rayonnement des noyaux instables. Environ 10 000 fois plus petites que l'atome, les particules constitutives du noyau, des protons et des neutrons, s'attirent si fortement par les forces nucléaires que les énergies nucléaires sont environ 1 000 000 fois plus grandes que les énergies atomiques typiques. La théorie quantique est nécessaire pour comprendre la structure nucléaire.
Comme les atomes excités, les noyaux radioactifs instables (qu'ils soient naturels ou produits artificiellement) peuvent émettre un rayonnement électromagnétique. Les photons nucléaires énergétiques sont appelés rayons gamma. Les noyaux radioactifs émettent également d'autres particules: des électrons négatifs et positifs (rayons bêta), accompagnés de neutrinos, et des noyaux d'hélium (rayons alpha).
Un des principaux outils de recherche de la physique nucléaire consiste à utiliser des faisceaux de particules (par exemple des protons ou des électrons) dirigés comme projectiles contre des cibles nucléaires. Les particules en recul et tous les fragments nucléaires résultants sont détectés, et leurs directions et énergies sont analysées pour révéler les détails de la structure nucléaire et en savoir plus sur la force puissante. Une force nucléaire beaucoup plus faible, l'interaction dite faible, est responsable de l'émission de rayons bêta. Les expériences de collision nucléaire utilisent des faisceaux de particules de plus haute énergie, y compris ceux de particules instables appelées mésons produits par des collisions nucléaires primaires dans des accélérateurs appelés usines à mésons. L'échange de mésons entre protons et neutrons est directement responsable de la force forte. (Pour le mécanisme sous-jacent aux mésons, voir ci-dessous Forces et champs fondamentaux.)
Dans la radioactivité et dans les collisions conduisant à l'éclatement nucléaire, l'identité chimique de la cible nucléaire est modifiée chaque fois qu'il y a un changement dans la charge nucléaire. Dans les réactions nucléaires de fission et de fusion dans lesquelles les noyaux instables sont respectivement divisés en noyaux plus petits ou fusionnés en noyaux plus grands, la libération d'énergie dépasse de loin celle de toute réaction chimique.
