Kernfysica
Deze tak van de fysica houdt zich bezig met de structuur van de atoomkern en de straling van onstabiele kernen. Ongeveer 10.000 keer kleiner dan het atoom, de samenstellende deeltjes van de kern, protonen en neutronen, trekken elkaar zo sterk aan door de nucleaire krachten dat kernenergie ongeveer 1.000.000 keer groter is dan typische atoomenergie. De kwantumtheorie is nodig om de nucleaire structuur te begrijpen.
Net als aangeslagen atomen kunnen onstabiele radioactieve kernen (van nature voorkomende of kunstmatig geproduceerde) elektromagnetische straling uitzenden. De energetische kernfotonen worden gammastraling genoemd. Radioactieve kernen zenden ook andere deeltjes uit: negatieve en positieve elektronen (bètastralen), vergezeld van neutrino's, en heliumkernen (alfa-stralen).
Een belangrijk onderzoeksinstrument voor kernfysica is het gebruik van deeltjesbundels (bijv. Protonen of elektronen) die als projectielen tegen nucleaire doelen zijn gericht. Terugspoelende deeltjes en eventuele resulterende nucleaire fragmenten worden gedetecteerd en hun richtingen en energieën worden geanalyseerd om details van de nucleaire structuur te onthullen en om meer te weten te komen over de sterke kracht. Een veel zwakkere kernkracht, de zogenaamde zwakke wisselwerking, is verantwoordelijk voor de emissie van bètastralen. Nucleaire botsingsexperimenten gebruiken bundels van hogere-energiedeeltjes, waaronder die van onstabiele deeltjes, mesonen genaamd, geproduceerd door primaire nucleaire botsingen in versnellers die mesonfabrieken worden genoemd. Uitwisseling van mesonen tussen protonen en neutronen is direct verantwoordelijk voor de sterke kracht. (Voor het mechanisme dat ten grondslag ligt aan mesonen, zie hieronder Fundamentele krachten en velden.)
Bij radioactiviteit en bij botsingen die tot nucleaire afbraak leiden, wordt de chemische identiteit van het nucleaire doelwit gewijzigd wanneer er een verandering in de nucleaire lading is. Bij kernsplijting en kernfusie waarbij onstabiele kernen respectievelijk in kleinere kernen worden gesplitst of in grotere worden samengesmolten, is de energie die vrijkomt veel groter dan die van een chemische reactie.
