中子同原子核相互作用引起的核反應，一般可以用X+n→Y+a+Q或X(n，a)Y表示。同其他粒子引起的核反應一樣，中子核反應也是研究核結構和核反應機制的重要手段。1932年發現中子後，人們對中子同原子核和中子同大塊物質的相互作用進行瞭廣泛、深入的研究。在此基礎上，核能應用得以迅速發展（見核裂變）。因此，同原子核子物理學中的其他分支比較起來，中子物理同實際應用結合得更為緊密。中子的重要特徵是它不帶電，不存在庫侖勢壘的阻擋，，這就使得幾乎任何能量的中子同任何核素都能夠發生反應。在實際應用中，低能中子的反應往往起著更為重要的作用。
研究中子核反應，往往就是研究中子反應截面隨核素變化、隨入射中子能量變化（激發函數）和隨產物的出射角度變化（角分佈）的規律以及反應產物的能量分佈（能譜）等。
中子核反應截面 中子核反應的全截面概念有其確定意義，而且可以很精確地直接測得。全截面σ 等於各部分截面(簡稱分截面)之和，即σ ＝σe+σne，其中
是彈性散射截面，
σ
e(
θ)是
θ方向的彈性散射微分截面；
σ
ne 表示去彈性散射截面，這也是中子核反應中特有的、可以直接測量的反應截面，它等於除彈性散射截面以外所有分截面之和。這些截面包括相應於中子裂變反應的裂變截面
σ f；相應於中子輻射俘獲反應的輻射俘獲截面
σ
r；相應於(n，n′)反應的非彈性散射截面
；相應於(n，2n)、(n，3n)等(n，
xn)反應（
x代表 2、3、…）的截面以及相應於產生帶電粒子的(n，X)反應的截面；諸如(n，p)反應截面
σ L，(n，
α)反應的截面
σ
α等。
中子核反應類型 中子裂變反應 中子引起某些重核如235U裂變的反應，記作(n，f)，是一種有重要意義的中子核反應。235U吸收中子後分裂成兩塊質量數為70～170的裂變碎片。由於這些碎片的中子過剩，在差不多分裂的同時放出平均數為2～3的瞬發中子並釋放出約150MeV的反應能。這種中子的增殖可以使裂變反應持續不斷地進行，形成鏈式反應，這正是裂變反應堆和某些核武器的物理基礎。
中子輻射俘獲 中子被核俘獲後形成復合核，然後通過放出一個或多個γ光子退激的反應，記作(n，γ)。釋放的γ射線的總能量等於復合核的激發能。研究γ射線的能譜，可以得到復合核能級結構、輻射過程性質等（見復合核模型）。此外，(n，γ)反應還是生產核燃料、超鈾元素等的重要反應。例如通過反應
（式中
為反中微子）可以生成核燃料钚
239Pu。
中子散射 包括彈性散射和非彈性散射。①彈性散射：即X+n─→X+n，反應能Q＝0。入射粒子和靶核的狀態均不發生變化，因此在中子的任何能量下都可以發生彈性散射。在實驗室坐標系，彈性散射後的出射中子對於中重核及重核來說，主要是方向的變化，能量變化很小；但對於輕核，由於靶核的反沖效應，致使入射中子的動能顯著降低。②非彈性散射：即 X+n→X*+n′+Q，Q＜0。中子在質心系的能量超過靶核的第一激發態時，可以發生這個反應。
(n，xn)反應 中子被核吸收，形成復合核，如果在它發射一個中子以後剩餘的激發能足以再放出1個、2個、……中子，則可以發生（n，2n）、(n，3n)、……反應。這是一個有閾（一般閾能為6～12MeV）的反應。通過這個反應可以得到中子倍增，因而它的有關數據有實際應用意義。
(n，X)反應 產生帶電粒子反應的統稱。由於發射帶電粒子要穿過庫侖勢壘，所以在慢中子能區隻有為數不多的幾個輕核可產生這類反應，如3He(n，p)、6Li(n，α)、10B(n，α)等。對於中重核及重核，在中子能量夠高時也可以產生這類反應，但一般截面都不大。
中子的吸收 吸收中子而不放出中子的反應，其截面可以直接測量。實際上其中包含瞭(n，γ)和(n，X)反應。有時也將中子的吸收稱作中子的消失，其相應的截面稱為中子消失截面
，而把除
σ
e和
散射截面以外的截面之和稱作吸收截面。由於低能區多數核不發生(n，X)和(n，f)反應，所以此時吸收截面常常就是(n，γ)截面，對於裂變核，就是
+
σ f。
中子截面在能量上分區 在通常的中子能量En≲20MeV能區內，主要就是上面這些反應。中子同核相互作用隨中子能量不同和靶核不同而表現出明顯不同的特征。關於靶核類型以及中子能量的區分並不是十分嚴格的。習慣上將靶核分作輕核、中重核和重核。一般說來，除極輕核外，其餘核的反應截面隨能量變化的行為大體上都經過1/v規律區（這裡v是中子的速度）、共振區和平滑區，但對於不同的核，出現這些區間的相應能量間隔是有差異的。
1/v規律區 定性地說，中子穿越原子核區的時間越短，中子被吸收的幾率就越小。這就表現為截面在eV能區隨能量變化的“1/v規律”（截面和1/v成正比）。事實上，對於(n，γ)反應，隻要復合核第一激發態離基態足夠遠，對於(n，X)反應，隻要是放熱反應而且Q值足夠大、復合核第一激發態離基態足夠遠，截面都將遵從1/v規律。對於少數輕核的（n，X）反應如3He（n，p）、6Li(n，α)、及10B(n，α)等反應的截面直到keV以上能區都遵從1/v規律。
共振區 在慢中子甚至中能中子能區，中子核反應截面顯示出獨特的共振現象：截面在一些特定的、相距很近的能量為E 能級處出現極大值，E 為共振能量，相應的能級稱為共振能級。在共振寬度Г 遠小於兩共振能級之間的距離D的能區，隻要有合適的測量手段，就可以測量出明顯分離的共振。這個能區稱為可分辨共振區。可分辨區一般在103eV(重核)至105eV(中重核)以下。對於某些中重核，現代的高分辨、高精度測量技術已把這個能區擴展到1MeV附近。
平滑區 當Г
D時，就無法測量出分立的共振瞭。這時，如果測量系統的能量分辨Δ
E
Г，截面仍可能表現出漲落，若 Δ
E中包含瞭若幹個Г，則漲落消失，截面隨能量緩慢變化。