核能俗称原子能，它是指原子核里的核子（中子或质子）重新分配和组合时释放出来的能量。核能分为两类，一类叫核裂变能，它是指重元素（铀或钚等）的原子核发生裂变时释放出来的能量。另一类叫核聚变能，它是指轻元素（氘和氚）的原子核在发生聚变反应时释放出来的能量。
物质是由原子组成的，原子是由原子核和核外绕其运动的电子组成的，而原子核是带正电的质子和中子紧密的结合体，它只占原子总体积很小的一部分，直径不及原子直径的万分之一，只有1013～1012cm，但却占有原子质量的绝大部分，因此原子核的密度极高。实验证明，所有元素的原子核几乎具有同样的密度，约2．44×1014g／cm3。原子核中的质子数和原子序数相等。具有相同原子序数的原子具有相同的化学性质，因此，我们将其称为同位素。但它们的核性质不同，如同位素1C和14C具有不同的核性质，前者为一稳定的核，后者为放射性原子可用于考古的研究。
质子都带正电，彼此间静电排斥力很大，那么为什么会紧密地结合在小小的原子核里面呢？这是因为在核中还存在着一种核力。质子和中子统称为核子（Nucleon），核子之间的引力为核力。核力很大，但它是短程力，只有当两个核子间的距离小于3×10-13cm时，它们之间才有很强的作用力，一旦超出这个距离，作用力骤减为零。因此可以想象处于分散的核子聚集在一起会形成原子核，并释放出大量的能量，这种能量叫原子核的结合能。科学研究表明，原子核的质量，总是小于组成原子核的各个粒子（质子和中子）质量的总和，这种现象被称为质量亏损。亏损的质量与原子核结合能满足著名的爱因斯坦质能公式：
E=mC2
例如，一个质子的静止质量为1．00728u（u为原子质量单位；1u=1．6605655×10-27kg），一个中子的静止质量为1．00867u。由两个质子和两个中子组成氦原子核，其质量应该是4．03190u，但是氦原子核的静止质量却是4．00150u，比总和少了0．03040u，失去的这部分质量以能量的形式放出，也就是原子核的结合能：
E=0．03040×1．6605655×10-27×（2．99793×108）2=4．5369×10-12（J）
由中子和质子组成一摩尔氦核产生的能量为
6．02217×1023×4．5369×10-12=2．7322×1012J·mol-1
但是并不是原子核里的核子越多，释放的能量就越大。前面已经讲过，由于不同的原子核的核特性是不同的，它们的核子结合在一起时放出的结合能也不相同。这种差别，可以用每个核子所具有的平均结合能，，即结合成原子核时每个核子平均放出的能量来表示。每个核子的平均结合能又称比结合能。
实现原子核的转变即核反应，有三种方式：核衰变、核裂变和核聚变。在这三种方式中，由于存在质量的亏损，所以反应中均会放出能量。第一种方式为自发过程，后两种是因受外因引起的核转变，如利用具有一定能量的中子或核的轰击等，称之为诱导核反应，它们是核能利用的主要手段。目前已实现工业化的利用核能的核反应是23592U的诱导核裂变反应。
23592U的裂变和核能的利用：
从理论上讲，使平均结合能小的核转变成平均结合能大的核就可能获得原子核能。从中可以看到，中等质量的核比重核具有较高的平均结合能。因此，当较重的核，例如23592U分裂成较轻的核时，会释放出能量。23592U吸收1个慢中子时，它的核将发生裂变，分裂成两个质量中等的核和几个快速中子，同时释放出能量。中子经过慢化后，又被其他的23592U吸收而发生同样的变化，形成越来越快的链式反应，并放出巨大的能量。
一般地说，铀核的裂变产物（碎片）可能有30～40种
之多，下面是其中的三种形式：
23592U+10n14456Ba+8936Kr+3l0n14054Xe+9438Sr+2l0n13351Sb+9941Nb+4l0n
由于裂变产生的中子有可能被核俘获，也有可能逸出反应堆，因此，只有核裂变产生的中子数能够补偿这些损耗的中子数时，链式反应才能正常进行。而这一条件只能在反应堆（或铀块）具有一个最低限度的体积时才能实现，这个最低限度的体积称为临界体积。
天然铀中含有三种同位素：23592U（99．28％），23592U（0．714％）和23592U（0．006％）。其中能起链式反应的，主要是23592U。当23592U俘获1个具有任何能量的中子时，都将发生裂变而放出2～3个中子。23892U只是在俘获能量大于1．1MeV的中子时，才会发生裂变。这是因为23892U有较大的裂变临界能的缘故。所谓裂变临界能是使原子核产生裂变的最小能量，只有打入原子核中子的动能与中子在进入重核后放出的结合能大于临界能时，核裂变才能发生。如果中子的能量（动能）小于1．1MeV，虽被23892U俘获，但不产生裂变。可是在裂变产生的中子中，能量大于1．1MeV的中子并不多。如果铀-235和铀-238混在一起，链式反应将很难进行，因为大多数中子被铀-238吃掉了，而使中子的数目越来越少。链式反应得以进行的条件却要求中子的数目起码是维持不变或有微小的增加。要做到这一点有两种办法。一种办法是从天然铀中将23592U分离出来。从天然铀中分离出23592U的最有效的方法是热扩散法，利用23892UF6和23592UF6蒸气扩散速度的差别，使这两种蒸气通过多孔的障碍物，结果23592U和23892U得以分离，达到富集23592U的目的。第一颗原子弹就是由23592U构成的。另一种办法是使中子减速，实验事实指出，23892U吸收中子的能力随着中子的能量而改变。当中子的能量为几十电子伏特时，238U对它的吸收能力非常强烈，这时，23592U无法和它竞争。但当中子的能量只有0．025eV（热中子）时，23892U吸收中子的能量只有23592U的1／190。因此，如果把裂变所产生的中子的能量迅速降低到0．025eV左右，同时增加23592U对于23892U的相对含量，就有可能使23592U裂变产生的中子仍然被23592U所吸收，使链式反应能够继续进行下去。为此，人们发明了中子慢化技术。所谓中子慢化就是利用中子与质量数较小的原子核碰撞时损失能量的特点，选择一些物质来减慢中子的速度。事实证明：能量为1．1MeV的中子与氢核发生18次碰撞后，就能使中子的能量降低至0．025eV左右。用来减慢中子速度的物质被称为慢化剂，常用的慢化剂有重水、轻水和石墨等。
天然铀仅含0．714％23592U，主要是23892U。由裂变产生的大部分快中子打在23892U上，不能发生裂变。如果一块铀全部由23592U组成，但铀块太小的话，裂变产生的中子大部分将在碰撞23592U前就逃逸出铀块而不发生链式反应。但是如果铀块的体积足够大，中子就能通过多次来回碰撞，使中子能被23592U不断吸收而使核裂变反应能够继续下去。这个最低限度的铀块体积被称为临界体积，有时也以发生链式裂变反应的最低限度的铀块质量——中肯质量来表示。临界体积和中肯质量究竟要多大，这决定于铀电的23592U纯度。很纯的23592U可能只要1kg。
中肯质量和原子弹的设计密切相关。在原子弹中，有两块质量均小于其中肯质量的23592U分开放着，但其质量之和大于23592U的中肯质量。所以可以安全的存放和运输，而不发生爆炸。当引爆其中的TNT炸药，其冲击力会将两块23592U并在一起，使其中立即发生不可控制的、雪崩式的链式核反应，引起强烈的核爆炸。一枚原子弹的爆炸威力相当于上万吨的TNT炸药。原子能最早以原子弹的形式运用于军事目的，而和平利用原子能才是人类的最终目的。要使原子能成为可利用的能源，就要对原子核的裂变反应的速度有所控制，使原子核能逐渐地释放出来。为此，人们通过设计各种类型的原子核反应堆来实现可控核裂变反应。