Ядерная трансмутация — это превращение одного химического элемента или изотопа в другой. Поскольку любой элемент (или его изотоп) определяется количеством протонов (и нейтронов) в ядре его атомов, ядерная трансмутация это любой процесс, где это число (массовое или зарядовое) изменяется.
Трансмутация происходит либо с помощью ядерных реакций (в которых внешняя частица реагирует с ядром), либо посредством радиоактивного распада.
Естественная трансмутация путем звездного нуклеосинтеза создала в прошлом большинство более тяжелых химических элементов в существующей Вселенной и продолжается по сей день, создавая такие распространённые элементы как гелий, кислород и углерод. Большинство звезд осуществляют трансмутацию посредством реакций синтеза с участием водорода и гелия, в то время как гораздо более крупные звезды также способны синтезировать более тяжелые элементы, вплоть до железа, на поздних этапах своей эволюции. Наиболее тяжёлые элементы, включая трансурановые, получаются в ходе множественных нейтронных захватов в ходе взрывов сверхновых звёзд (образование ядер тяжелее железа энергетически невыгодно, и в ходе обычного звёздного нуклеосинтеза не происходит)
Другой тип естественной трансмутации происходит, когда определённые радиоактивные элементы, присутствующие в природе, спонтанно распадаются (альфа- или бета-распад). Примером может служить естественный распад калия-40 до аргона-40, который образует большую часть аргона в воздухе. Также на Земле происходят естественные превращения в результате различных механизмов естественных ядерных реакций из-за бомбардировки элементов космическими лучами (например, с образованием углерода-14), а также иногда из-за естественной нейтронной бомбардировки.
Искусственная трансмутация может происходить в устройствах, у которых достаточно энергии, чтобы вызвать изменения в ядерной структуре элементов. К таким машинам относятся ускорители частиц и реакторы токамак. Обычные энергетические реакторы деления также вызывают искусственную трансмутацию, но не за счет искусственного разгона частиц, а за счет воздействия на ядра нейтронов, образующихся при делении в результате искусственно созданной ядерной цепной реакции. Например, при бомбардировке атома урана медленными нейтронами происходит деление. Это высвобождает в среднем три нейтрона на акт и большое количество энергии. Высвободившиеся нейтроны затем вызывают деление других атомов урана, пока весь доступный уран не будет исчерпан. Это называется цепной реакцией.