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La fisica nucleare è la branca della fisica che studia il nucleo atomico, i suoi costituenti, protoni e neutroni, e le loro interazioni.
Si distingue dalla fisica atomica, di cui è una sottobranca, che studia l'atomo nella sua interezza, e dalla fisica delle particelle, che ha come oggetto lo studio delle singole particelle libere. Questa branca ha in larga parte soppiantato il termine "fisica subnucleare", riferito allo studio delle particelle costituenti il nucleo, in quanto è più generale, dal momento che non è limitato alle particelle vincolate dentro i nuclei.
La più comune applicazione della fisica nucleare è la produzione di energia nucleare, ma essa è anche alla base di molte altre importanti applicazioni, ad esempio in medicina (medicina nucleare, risonanza magnetica nucleare), scienza dei materiali (impiantazione ionica), archeologia (radiodatazione al carbonio).
La fisica nucleare è principalmente divisa in fisica delle proprietà statiche del nucleo, che comprende tutte le teorie riguardanti la formazione, la coesione e le proprietà statiche misurabili dei nuclei (come la loro massa, i loro livelli energetici, i decadimenti ecc.) e fisica delle proprietà dinamiche del nucleo, che studiano i processi in cui due o più nuclei interagiscono collidendo in vario modo per formare altri nuclei, magari emettendo altre particelle, frammentandosi, fondendo o semplicemente cambiando il loro stato di moto.
Le due sottodiscipline sono interconnesse, nel senso che le nostre informazioni sulla struttura ci pervengono quasi unicamente dallo studio delle reazioni e dei decadimenti (naturali o artificiali). Le reazioni nucleari che si manifestano in natura sono i decadimenti radioattivi o trasmutazioni e le reazioni termonucleari che avvengono nelle stelle, generando luce, calore e altre radiazioni. In laboratorio si utilizzano acceleratori di particelle (come ad esempio il generatore di Van de Graaff, i linac, i tokamak, i betatroni o i sincrotroni) per studiare le reazioni nucleari o per ricreare le condizioni del plasma stellare.