原子核由統稱為核子的質子和中子所組成。質子帶一個正電荷，中子不帶電荷。原子核內的質子數就是原子核的電荷數，也叫原子序數（Z），原子核的核子數就是該核的質量數（A）。Z相同而A不相同的各種核稱為同位素核。原子核內的中子數目與質子數目滿足一定比值時，這類原子核是穩定核。質子過多或中子過多的核都是不穩定核或放射性核，它們會自發地以發射不同射線的方式釋放出能量而轉變為穩定核，此現象稱為核衰變。
用中子、質子、氘核（含一個質子和一個中子）或其他更重的核轟擊一種原子核，均可能發生核反應而產生另一種原子核，同時常會釋放出巨大能量。核衰變與核反應過程中放出的能量統稱為核能。
一個質量數較大的重原子核（如鈾、鈈核等）分裂成兩個較輕的原子核（稱裂變碎片或裂變產物核）稱為裂變反應，此時釋放的核能稱為裂變能。兩個質量數很小的核（如H-2與H-3核或稱氘核與氚核）聚合為一個較重的核（如氦核）稱為聚變，此時釋放的核能稱為聚變能。1000克鈾原子核全部裂變，可釋放出8.19×1013焦耳的裂變能，相當於2.7×106千克標準煤的燃燒熱，1000克輕原子核的聚變能更是此值的3倍。