Многие ядерные реакции при невысоких энергиях проходят через стадию образования так называемого составного, или промежуточного, ядра. Представление о составном ядре было введено в физику в 1936 г. Нильсом Бором. Он руководствовался следующими соображениями. Частица, проникшая внутрь ядра, как правило, сильно взаимодействует с его нуклонами — настолько сильно, что ее энергия взаимодействия с отдельным нуклоном обычно того же порядка, что и кинетическая энергия самой частицы. Поэтому весьма вероятен захват частицы ядром. Частица застревает в ядре, причем из-за взаимодействия с нуклонами ядра ее энергия уменьшается настолько, что она длительное время не может покинуть ядро. Более того, частица, попавшая в ядро, вообще теряет свою индивидуальность и действует как система новых нуклонов, присоединившихся к прежним нуклонам ядра. Из-за множества столкновений между нуклонами в поведении новых и прежних нуклонов принципиально пропадает всякое различие. С другой стороны, если первоначальная энергия влетевшей частицы не слишком велика, в системе не окажется нуклонов столь большой энергии, чтобы один или несколько из них немедленно покинули ядро. Задерживаясь в ядре на некоторое время, нуклоны образуют систему частиц, которую в течение этого времени можно рассматривать как связанную. Эта система и есть составное, или промежуточное, ядро.

Составное ядро возникает в возбужденном состоянии и стремится потерять энергию возбуждения за счет какого-либо возможного для него процесса. В принципе оно не отличается от радиоактивного ядра. Один из возможных механизмов радиоактивного превращения состоит в том, что энергия захваченной частицы, беспорядочно распределившаяся между нуклонами составного ядра, в результате флуктуационных процессов вновь сконцентрируется на одной из частиц. Тогда такая частица и вылетит из ядра. Не обязательно, чтобы это была та же частица, которая влетела в ядро. Она может быть и другой: протон, нейтрон, α-частица и пр. Возможны несколько каналов радиоактивного распада составного ядра.

Необходимо особо подчеркнуть, что говорить о возбужденном составном ядре имеет смысл только тогда, когда оно существует достаточно долго. «Достаточно долго», конечно, надо понимать не в макроскопическом, а в ядерном масштабе. Например, чтобы нейтрон со скоростью 10⁹ см/с пролетел через ядро, не испытав столкновений, для него требуется время порядка 10^-22 с. Это и есть «ядерное время», которым надо пользоваться для суждения о длительности процессов, происходящих в атомном ядре. Если составное ядро живет в возбужденном состоянии 10^-14 с, то в ядерном масштабе это время должна считаться «очень большим». Из-за короткодействующего характера ядерных сил за это время влетевший нейтрон успеет претерпеть в ядре более 10⁸ столкновений, чего с избытком достаточно, чтобы его движение в ядре приобрело запутанный характер, совершенно не зависящий от того, с какой скоростью и в каком направлении нейтрон влетел в исходное ядро. Таким образом, возникает система нуклонов, поведение которой совершенно не зависит от истории ее образования. В ядерном масштабе времени такая система ведет себя так, как если бы она существовала бесконечно долго. А это и есть необходимое условие того, чтобы такую систему можно было рассматривать как составное ядро.

Наряду с описанным процессом образования и распада составного ядра возможен и конкурирующий процесс. Это процесс радиационного захвата. В этом процессе ядро переходит в возбужденное состояние также в результате захвата какой-то частицы. Но в основное состояние оно возвращается путем испускания γ-кванта. Последний процесс происходит под действием уже электромагнитных сил, т. е. в ядерном масштабе по-прежнему достаточно «медленно». Поэтому и при радиационном захвате может также образоваться составное ядро.
Заслуживает внимания тот парадоксальный с точки зрения классической физики факт, что силы кулоновского отталкивания между протонами и другими положительно заряженными частицами ядра (например, между α-частицами) не способствуют, а препятствуют выходу этих частиц из ядра. Объяснение этого факта состоит в том, что силам отталкивания соответствует положительная энергия. Она увеличивает высоту, а с ней и ширину кулоновского потенциального барьера. Выход же протона и всякой положительно заряженной частицы из ядра есть подбарьерный процесс. Он тем менее вероятен, чем выше и шире потенциальный барьер. Особенно существенно это обстоятельство проявляется в случае средних и тяжелых ядер.

Другой характерной особенностью ядерных реакций, идущих через составное ядро, при выполнении определенных условий является симметрия в системе центра масс углового распределения разлетающихся частиц, которые образуются при распаде составного ядра. Предположим, что результирующий спин составного ядра равен нулю. Тогда частицы, образующиеся при распаде составного ядра, в системе центра масс будут с одинаковой вероятностью разлетаться вперед и назад. (Направление «вперед» задается скоростью налетающей частицы.) Про такое угловое распределение говорят, что оно обладает симметрией «вперед-назад». Для обоснования высказанного утверждения заметим, что первоначальная система из-за наличия импульсов и угловых моментов у налетающей частицы и исходного ядра симметрией «вперед-назад» не обладает. Но такая симметрия появится в процессе формирования составного ядра. В самом деле, в системе центра масс результирующий импульс исходной системы равен нулю. При формировании составного ядра не только сохранится равенство нулю полного импульса, но и произойдет хаотическое распределение импульсов отдельных нуклонов по направлениям в пространстве. То же самое относится и к их спинам, так как по предположению спин составного ядра равен нулю. Остается только орбитальный момент импульса частиц. Но в системе центра масс он перпендикулярен к импульсу налетающей частицы, При формировании составного ядра он, конечно, сохранится, но хаотически перераспределится между нуклонами составного ядра. Получится составное ядро, обладающее симметрией «вперед-назад». Естественно, что такая симметрия сохранится и при распаде составного ядра.

Мысль о составном ядре была впервые высказана Н. Бором в 1936. Идея об аналогии между составным ядром и нагретой жидкостью принадлежит Я. И. Френкелю. Основанная на этом количественная термодинамическая теория составного ядра была впервые развита в 1936–37 Х. А. Бете, Л. Д. Ландау и В. Ф. Вайскопфом.

Особенностью ядерных реакций, идущих через промежуточные этапы образования и распада составного ядра, являются:

- симметричное угловое распределение конечных продуктов (вперёд – назад) относительно направления налетающих частиц в системе центра инерции),

- максвелловский энергетический спектр вылетающих частиц и одинаковость относительных вероятностей конечных каналов разных реакций с участием одного и того же составного ядра.

Эмиссия из такой системы определяется характеристиками составного ядра как целого и не зависит от способа его образования. То есть в модели составного ядра сечение реакции с образованием частицы b в конечном состоянии можно записать в виде

где – сечение образования составного ядра частицей a, – вероятность распада составного ядра по данному каналу b. Обычно ядро может распадаться различными путями (по разным парциальным каналам): γ-излучением, испуская нейтроны, протоны и т.д. Вероятность распада по данному каналу определяется соотношением

где Гi – парциальные ширины распадов. Суммирование ведется по всем открытым каналам, допускаемым законами сохранения. Окончательно можно записать

Сечение образования составного ядра можно записать в виде

где – парциальное сечение поглощения налетающей частицы с данным орбитальным моментом l, S₁ – геометрическое сечение, равное доле всех частиц с орбитальным моментом l, налетающих на ядро, – проницаемость, т.е. вероятность проникновения частицы в ядро. В свою очередь проницаемость равна произведению вероятностей прохождения кулоновского и центробежного барьеров на коэффициент прохождения падающей дебройлевской волны через границу потенциала. Парциальное геометрическое сечение S₁ можно определить как площадь кольца со средним радиусом равным прицельному параметру

Таким образом сечение образования составного ядра можно записать в виде

Так как ядерные силы короткодействующие, то они влияют на частицы с прицельными параметрами , в связи с этим суммирование ведется от 0 до .Сечение ограничено сверху геометрическим сечением, когда ~ 1

Для медленных нейтронов для которых существенна только s – волна (l =0), расчет проницаемости сводится только к учету вероятности прохождения волны через границу ядерного потенциала и определяется соотношением

где Tn и – кинетические энергии нейтрона вне и внутри ядра. Для медленных нейтронов практически равна глубине ядерного потенциала т.е. ~ 30 МэВ.

где v – скорость нейтрона. При энергиях частиц, при которых энергия возбуждения составного ядра близка к резонансной, сечение реакции описывается формулой Брейта-Вигнера:

где s_n, J_A, и J – спины нейтрона, ядра и составного ядра соответственно, Г_n, Г – нейтронная и полная ширины, T_n, T₀ – энергия нейтрона и энергия резонанса.

При малых энергиях нейтронов возможны только процессы (n,n) (n,γ), так что равно Г_n +Г_γ, причем Г_n~v, Г_γ = const. Таким образом при достаточно малых энергиях Гn<<Гу (для ядер с A > 100 это условие выполяется для энергии нейтронов вплоть до сотен кэВ) и. Угловые распределения вылетающих частиц в реакциях идущих через составное ядро симметричны относительно 90° в системе центра масс. В области перекрывающихся резонансов составного ядра* они имеют максимумы при 0° и 180° и минимум при 90°, причем этот минимум тем глубже, чем выше угловой момент составного ядра.