原子核主要由強相互作用將核子結合而成，當原子核的結構發生變化或原子核之間發生反應時，要吸收或放出很大的能量。一些很重的原子核（如鈾原子核）在吸收一個中子以後，會裂變成為兩個較輕的原子核，同時放出二個到三個中子和很大的能量。兩個很輕的原子核也能熔合成為一個較重的原子核，同時放出很大的能量。這種原子核熔合過程也叫做聚變。
原子核聚變粒子加速器的發明和裂變反應堆的建成使人能夠獲得大量能量較高的質子、電子、光子、原子核和大量中子，用以轟擊原子核，以便係統地開展關於原子核的性質及其運動、轉化和相互作用過程的研究。
高能物理研究發現，核子還有內部結構。核子的半徑和原子核的半徑都是10～13cm數量級，因此原子核的內部結構很難和核子的內部結構截然分開。
原子核結構是一個遠較原子結構為複雜的研究領域。目前，已有的關於原子核結構，原子核反應和衰變的理論都是模型理論。其中一部分相當成功地反映了原子核的客觀規律。原子核的實驗研究和理論研究仍在探索和發展之中。
原子核物理的研究已經產生了重要的社會效果。1kg 鈾裂變時所釋放的能量相當於約 2萬噸 TNT 炸藥爆炸時所釋放的能量。這就是原子彈爆炸和核發電站中的關鍵物理過程。1kg重氫原子核聚變為氦原子核所釋放的能量還要大幾倍。氫原子核聚變為較重的原子核並釋放能量的過程，就是太陽幾十億年來大量放光、放熱的能量來源，也是熱核爆炸的能量來源。海洋中有幾乎取之不盡的重氫，假使能使重氫的聚變反應有控製地進行，那麼能源問題就將得到較徹底的解決。由於放射性同位素所放出的射線穿透力很強，能產生各種物理效應、化學效應和生物效應，這些射線又容易探測，因此放射性同位素在工業、農業、醫學和科學研究中已經有廣泛的應用。
對人不尊敬，首先就是對自己的不尊敬。
——惠特曼
熱核聚變與氫彈1915年美國化學家哈金斯提出，氫原子聚變為氦原子的過程中，其質量的 0．5％轉變為能量。具體機製是，在數百萬度高溫的條件下，氫原子核——質子具有很高的能量，足以使它們彼此熔合在一起。這樣，兩個質子結合到一起，發射出一個正電子和一個中微子，變為一個氘核。然後，這個氘核再同一個質子熔合，形成為一個氚核。這個氚核可以再和一個質子熔合而形成氦－4，兩個氘核也可以相互結合成一個氦－4。
但是，這種氫原子核聚變生成氦原子核的反應，必須在極高溫度的激發下才能發生，也就是必須有足夠的熱能引起聚變鏈式反應，所以把這種反應叫做熱核反應。
當時，在地球上還沒有得到數百萬度高溫的辦法。人們認為，隻有一個地方存在著引發這種氫核聚變所必需的高溫條件，這就是恒星的中心。
圖為合成的星暴星係M82的圖片，在碰撞爆炸後產生的“宇宙颶風”中誕生了眾多恒星群1938年，在美國工作的德國物理學家貝特提出，聚變反應是恒星輻射發光能量的源泉。在恒星中發生的第一種輕核聚變是氫一氦循環，第二種輕核聚變是碳－氮循環，兩種循環本質上都是一樣的，即質子變為氦核。貝特和克裏菲爾德一起計算氫－氦循環和碳－氮循環，理論值與觀測值符合。貝特指出，氫原子核聚變反應對溫度很敏感，在一顆恒星中究竟是氫－氦循環還是碳－氮循環占主導地位，主要取決於這顆恒星內部的溫度。
一般地說，在數百萬度溫度情況下，氫－氦循環占主要優勢，例如，太陽和不太亮的恒星中，就是這種循環的核聚變反應發光；在比較亮和比較大的恒星上，內部溫度更高，達數千萬攝氏度乃至數億攝氏度，此時碳－氮循環是主要的。貝特提出的這一恒星發光理論，很好地解釋了恒星發光原因，成為科學家普遍接受的一種理論。貝特因此項成果而榮獲 1967年諾貝爾物理學獎。
當時的科學家都希望獲得像太陽發光那樣的高溫，以便實現輕核聚變而獲得大量的能量。
1945年，原子彈爆炸成功，使人們尋找到產生數百萬度高溫的途徑，使核聚變的引發變為可能的了。
具體說來，就是把鈾核裂變原子彈作為能量足夠大的雷管，通過原子彈爆炸產生的高溫引發氫聚變為氦的鏈式反應。但是人們懷疑這種方式能否用於製造炸彈。首先是氫燃料氘和氚的混合物，必須壓縮成高密度的狀態，就是把它液化成液體，並保持在接近絕對零度的低溫貯存器中。也就是說，氫彈必須是一個巨大的製冷器。還有一個問題，即使能夠製造出威力比原子彈還大的氫彈，有什麼用呢？已有的鈾、鈈重核裂變炸彈的破壞力已經夠大了。