Ядерная физика тесно связана с квантовой механикой, так как описывает микроскопические объекты, подчиняющиеся законам квантового мира. Все основные модели строения ядра — оболочечная модель, модель коллективного движения, жидкокапельная модель — опираются на квантовомеханические принципы: суперпозицию, туннелирование, дискретность уровней энергии и принцип неопределённости Гейзенберга.
К примеру, существование дискретного набора уровней энергии в ядре, как и у атомов, обусловлено квантовыми ограничениями. Туннельный эффект объясняет альфа-распад, при котором альфа-частица покидает ядро, преодолевая потенциальный барьер, несмотря на то что её энергия ниже высоты этого барьера.
Роль электродинамики проявляется в описании кулоновского отталкивания между протонами внутри ядра, а также в рассмотрении электромагнитных переходов между ядерными уровнями. Эмиссия и поглощение γ-квантов (γ-переходы) связаны с электромагнитными взаимодействиями.
Мезонная теория ядерных сил, в свою очередь, строится с учётом обмена виртуальными частицами, аналогично квантовой электродинамике (КЭД), где электромагнитные силы возникают вследствие обмена фотонами. Хотя ядерные силы несравненно сильнее, аналогия с КЭД прослеживается в формализме и принципах.
Важнейшей является связь ядерной физики со специальной теорией относительности. Энергетические процессы, происходящие в ядерных реакциях и распадах, невозможно объяснить без использования соотношения Эйнштейна E = mc2, которое лежит в основе расчётов дефекта массы и энергии связи.
Массы частиц и продуктов реакций выражаются в единицах энергии (МэВ/с²), что подчёркивает фундаментальную роль релятивистской физики. Кроме того, в ускорителях частиц, применяемых для исследования ядерных свойств, частицы разгоняются до скоростей, близких к световым, где релятивистские эффекты становятся доминирующими.
Ядерная физика служит связующим звеном между атомной физикой и физикой элементарных частиц. Протоны и нейтроны рассматриваются как составные частицы, состоящие из кварков, взаимодействующих посредством глюонов в рамках квантовой хромодинамики (КХД). Это приводит к рассмотрению так называемой субядерной структуры, выходящей за пределы классической ядерной физики.
Распад нейтрона, β-распад и слабое взаимодействие в ядрах требуют привлечения понятий физики частиц: лептонов, нейтрино, взаимодействий стандартной модели. Такие явления, как двойной бета-распад, исследуются на грани между двумя дисциплинами.
Атомная и молекулярная физика исследуют взаимодействие электронов с ядром, и во многих аспектах эти дисциплины пересекаются с ядерной физикой. В частности, изотопные сдвиги в спектрах, эффекты гиперточного расщепления уровней, влияние ядерных свойств на химическое поведение — всё это объединяет два направления.
Методы ядерной физики, такие как ядерный магнитный резонанс (ЯМР) и мёссбауэровская спектроскопия, находят широкое применение в атомной, молекулярной и даже химической физике. Эти методы основаны на чувствительности ядер к внешним полям и позволяют изучать тонкие взаимодействия в молекулах и твёрдом теле.
Ядерные методы прочно вошли в арсенал физики твёрдого тела. Используются радиоактивные изотопы для зондирования структуры кристаллов, дефектов, внутренних полей и диффузии. Ионное внедрение и ядерные методы анализа, такие как резерфордовское обратное рассеяние (RBS), применяются для исследования наноматериалов и тонких плёнок.
Теоретически, взаимодействие ядерного излучения с веществом требует описания процессов торможения, ионизации, возбуждения атомов — это области, находящиеся на стыке ядерной физики и физики вещества. Энергетические спектры продуктов ядерных реакций, а также их треки в среде изучаются с помощью методов конденсированной среды.
Ядерная физика играет ключевую роль в астрофизике, поскольку процессы нуклеосинтеза (создание ядер в недрах звёзд), термоядерные реакции в Солнце и других звёздах, а также взрывы сверхновых тесно связаны с ядерными преобразованиями.
Реакции типа p + p → D + e+ + νe составляют основу протон-протонного цикла, поддерживающего термоядерное горение в недрах Солнца. При этом ключевыми являются как сильные, так и слабые взаимодействия, а также знание вероятностей туннелирования при низких энергиях.
Исследование реликтового излучения, теорий Большого взрыва, и элементного состава Вселенной невозможно без понимания ядерных процессов, происходивших в первые минуты существования Вселенной.
Ядерная физика активно взаимодействует с рядом прикладных областей: медицинской физикой, биофизикой, радиохимией. Ядерная медицина использует радиоизотопы в диагностике и терапии (например, ПЭТ и радиотерапия), а радиационная безопасность требует точного понимания природы ионизирующего излучения.
Модели ядерной трансмутации лежат в основе разработки ядерных реакторов нового поколения и технологий утилизации радиоактивных отходов. Ядерная физика также применяется в археологии (радиоуглеродный анализ), криминалистике (активационный анализ), геофизике (датировка пород).
Многие явления ядерной физики стимулировали развитие теоретических моделей, использующих группы симметрии, законы сохранения и инвариантность. Паритет, изоспин, спин-орбитальное взаимодействие и симметрия SU(3) широко применяются для описания ядерных уровней и переходов.
Разработка методов вторичного квантования, диаграммных техник, теории возмущений в многотельных системах и численных методов (например, решёточная КХД) стала возможной и востребованной именно благодаря проблемам, возникающим в ядерной физике.
Разработка детекторов излучений, ускорительной техники, методов спектроскопии и трековой визуализации лежит на пересечении ядерной и экспериментальной физики. Принципы регистрации заряженных частиц, нейтронов, фотонов и нейтрино опираются на знание взаимодействий излучения с веществом и на инженерные решения.
Работа с ускорителями (циклотрон, линейный ускоритель, синхротрон) требует глубокого понимания электродинамики, механики, теории управления, радиотехники и вакуумной техники. Это ещё раз подчёркивает тесную взаимосвязь ядерной физики с другими направлениями науки и техники.
Ядерная физика не является изолированной наукой. Она представляет собой узел, в котором пересекаются фундаментальные физические теории, прикладные задачи, методы измерения, теоретическое моделирование и инженерные подходы. От масштабов кварков до звёздных ядерных реакторов, от ядерных реакторов до медицинской диагностики — ядерная физика пронизывает всю ткань современной науки и техники.