Keemiast on sulle kindlasti tuttav keemilise reaktsiooni mõiste. Keemilise reaktsiooni tulemusena tekivad ühtedest ainetest teised ained. Uued ained võivad tekkida kahe aine ühinemisel, näiteks vesiniku ja hapniku molekulide ühinemisel tekib vesi. Või siis tekivad uued ained ühe aine lagunemisel: näiteks laguneb paekivi kuumutamisel süsihappegaasiks ja kaltsiumoksiidiks. Kõikide keemiliste reaktsioonide korral toimuvad muutused aatomite elektronkihtides, aatomituum ei muutu.

Sajandeid tagasi püüdsid alkeemikud valmistada kulda odavatest ainetest. Tänapäeval me teame, et kuld on lihtaine ning keemiliste reaktsioonide tulemusena ei ole võimalik valmistada kulda lähtudes teistest lihtainetest. Kulla valmistamiseks teistest lihtainetest peaksid toimuma muutused aatomituumas. Sellised aatomituuma muutused on võimalikud, kuid nende jaoks on vaja palju energiat.

Tuumareaktsiooniks nimetatakse reaktsioone aatomituumade või aatomituumade ja osakeste vahel, mille tulemusena tekivad uued aatomituumad. 

Esimese tõelise tuumareaktsiooni suutis teha Ernest Rutherford 1919. aastal. Ta pommitas lämmastiku aatomeid $\alpha$-osakestega (heeliumi aatomituumad), mille tulemusena tekkis hapnik ning eraldus prooton. Valemina saab selle tuumareaktsiooni kirja panna nii:

Tuumareaktsiooni võrrandis on siin vasakul poolel levinuim lämmastiku isotoop $\frac{14}{7}N$, mis ühinemisel $\alpha$-osakesega (heeliumi tuumaga $\frac{4}{2}He$) muutub stabiilseks hapniku isotoobiks $\frac{17}{8}O$, mida looduslikus hapnikus on ainult 0,04%. Eraldub prooton ehk vesiniku tuum, mille tekke järgi reaktsioon tegelikult avastati.

Seda katset peetakse tuumafüüsika alguseks. 

Sada aastat aatomituuma avastamisest

Inglise teadusajakirja Philosophical Magazine 1911. aasta mainumbris ilmus Ernest Rutherfordi artikkel „Alfa- ja beetaosakeste hajumine aines ja aatomi ehitus" (The Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atom). Selle kirjatöö ilmumist võib tinglikult pidada aatomifüüsika, ühtlasi tuumafüüsika sünnidaatumiks.

Aatomituumi hoiab koos tuumajõud. Tuuma osakesteks jagamiseks oleks vaja kulutada teatud energiakogus – seda nimetatakse seoseenergiaks. Kui tuum saaks üksikutest osakestest moodustuda, siis eralduks sama energia. Seoseenergia näitab seda, kui palju tööd me peame tegema, et lahutada aatomituum nukleonideks ning vastupidises protsessis, kui palju energiat eraldub, kui aatomituum nukleonidest moodustada.

Tuumaenergia, mis vabaneb tuumareaktsioonides ja mida saab kasutada tuumajaamas või mida me tunneme päikeseenergiana, on osa tuumaosakeste seoseenergiast. 

Tuumade seoseenergiad on erinevad, sest tuumad on erineva suurusega. Kui jagada kogu tuuma seoseenergia nukleonide arvuga, saame eriseoseenergia – seoseenergia ühe tuumaosakese kohta, mis on samuti tuumati erinev. Tavalise vesiniku tuumas on üks prooton, sellel tuumal seoseenergiat pole. Kui tuumas on osakesi rohkem, näiteks vesiniku rasked isotoobid deuteerium $\frac{2}{1}H$, triitium $\frac{3}{1}H$ ja heeliumi kerge isotoop $\frac{3}{2}He$, siis on tuumal ka seoseenergia. Ootamatult suure eriseoseenergiaga on tavaline heeliumi tuum.

Arvutus on lihtne – liida kokku aatomituumade seoseenergia enne ja pärast tuumareaktsiooni. Kui seoseenergia enne tuumareaktsiooni on väiksem, siis reaktsioonis vabaneb energia. Kui seoseenergia  enne tuumareaktsiooni on suurem, siis on vaja reaktsiooni toimumiseks energiat juurde anda.

Kõige suurem eriseoseenergia on raua tuumadel. Rauast suurema massiarvuga elementide tuumade eriseoseenergia on madalam kui raual. Järelikult uraan-238 tuuma lõhustumisel erinevateks nn kildtuumadeks vabaneb energia. 

Tuumareaktsioonidest võimalik saada energiat kas kergete tuumade ühinemisel või siis raskete tuumade lõhustumisel.