原子核极小，体积只占原子体积的几千亿分之一，但原子核的密度极大，集中了99.96%以上原子的质量。1m3的体积如装满原子核，其质量将达到1014t（一百万亿吨）。构成原子核的质子和中子之间存在着巨大的吸引力，能克服质子之间所带正电荷的斥力而结合成原子核，使原子核在化学反应中不发生分裂。一旦某些重原子核分裂为两个或更多的核，发生核裂变时，会释放出巨大的原子核能，即原子能。铀235原子核受到中子的轰击，裂变形成钡142和氪91，以及3个中子，引起链式反应。原子能发电站就是运用铀235的核裂变释放出的巨大能量（图2-16）。
图2-16 铀235的核裂变反应示意图
此外，一些轻原子核相遇时结合成为重核（发生核聚变）时，也会释放出巨大的原子核能。例如氘和氚，在一定条件下（如超高温和高压），发生原子核互相聚合作用，生成中子和氦4，并伴随着巨大的能量释放。太阳就是由两个氢核聚合为一个氦原子核，而释放出巨大的能量（图2-17）。
图2-17 氢核的核聚变示意图
除了核裂变和核聚变反应，某些元素的原子会自发地放射出由某些粒子组成的射线，发生放射性衰变。α射线、β射线或γ射线是常见的三种射线。α射线是由质量数为4的He原子核组成的射线流；β射线是高速电子流，电子（e）带一个单位负电，相对质量约1/1836，可看成0；γ射线是高能光子流，光子（γ）不带电荷，质量数为0。能发生放射性衰变的核素，称为放射性同位素，不会发生放射性衰变的稳定性核素仅有280多种。例如，著名的物理学家、化学家居里夫妇经过不懈努力，发现的放射性元素镭（Ra）的同位素镭226（
Ra）能自动放射出α和γ两种射线，衰变为氦和放射性气体氡。用于制造原子弹的铀238放出一个α粒子后，核的质量数减少4，电荷数减少2，转化为钍234。用于癌症治疗的放射性同位素钴60，能放射γ射线束，杀死肿瘤细胞。
核反应和化学反应不同。化学反应只是原子或离子的重新排列组合，而原子核不变。在化学反应里，一种原子不能变成另一种原子；核反应则是一种元素的原子转化为另一种元素的原子。核反应的能量效应要比化学反应的大得多。核反应不是通过一般化学方法就能实现的，首先要用人工方法产生高能量的“核炮弹”（如氦原子核、氢原子核、氘原子核等），利用这些“炮弹”猛烈撞击别的原子核，从而引起核反应。中子也是“核炮弹”，中子不带电荷，它和原子核之间不存在电排斥力，因而用它来产生核反应，比用带电的其他高能粒子效果好得多。
放射性同位素放出的三种射线，都具有足够的能量，能撞击分子，打出分子的某些电子，使分子发生电离。来自太空的宇宙射线、X射线都具有使分子发生电离的能力，这些射线是电离辐射，紫外光、可见光和红外辐射都是非电离辐射。电离辐射撞击分子可生成游离基，游离基是一种不稳定的含有未成对电子的物质，非常容易参与化学反应，可以参与各种化学反应并生成新的游离基，以不同的形式损坏、破坏人体组织中的分子，包括DNA分子，使这些分子死亡、变异，引起各种疾病。放射性辐射可以致病也能治病。人体中快速分裂生长的细胞（包括癌细胞）对电离辐射特别敏感，因此用核辐射或X射线可以治疗某些类型的癌症。以碘化钾形式存在的放射性碘131药片，可以治疗甲状腺机能亢进。放射性碘进入甲状腺，可以破坏亢进的甲状腺组织，恢复它的正常机能。
放射性同位素衰变的快慢有一定的规律。例如，氡222经过α衰变变为钋218，如果隔一段时间测量一次氡的数量级就会发现，每过3.8天就有一半的氡发生衰变。也就是说，经过第一个3.8天，剩下一半的氡；经过第二个3.8天，剩有1/4的氡；再经过3.8天，剩有1/8的氡。科学家用半衰期来表示放射性元素衰变的快慢。放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间，叫做这种元素的半衰期。不同的放射性元素，半衰期不同，甚至差别非常大。例如，铀238衰变为钍234的半衰期竟长达45亿年。放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的，跟原子所处的化学状态与核外部条件都没有关系。一种放射性元素，不管它是以单质的形式存在，还是与其他元素形成化合物，对它施加压力、提高温度，都不能改变它的半衰期。
放射性同位素碳14（14C）能发生β衰变，不断地缓慢转变为氮原子，它的半衰期较长（5730年）。碳14是大气外层的氮气受宇宙射线的轰击产生的，碳14在大气层迅速氧化成二氧化碳（CO2），经大气对流进入大气内层，地球上的生物生存时，由于呼吸作用，体内的碳14含量和大气层中的含量保持一致，大致不变。一旦呼吸停止，生物体内的碳14随着时间慢慢衰变，缓慢减少，变得少于大气层中的含量。通过检测出土文物的碳14含量，和大气层中碳14的含量对比，利用碳14的半衰期，可以估算文物的大致年龄，这种方法称为放射性碳年代测定法。
放射性同位素能发出辐射线，在工业、医疗、科学研究等领域放射性同位素都有广泛的应用。例如，在工业上，用γ射线辐照食品（如水果和肉类），可延迟水果和蔬菜的熟化，杀死肉类中的细菌，使肉类较长时间保持新鲜，辐照的草莓两周后仍然坚挺和新鲜。用γ射线照相术，可检验金属管焊接中的缺陷。
在室内使用的电离烟雾探测器中有一个电离室（电离腔），其中有一个很小的纽扣状的镅放射源（放射性同位素镅241），它被一层薄薄的金箔包裹着（图2-18），带通气孔的电离室外盖已拆掉，可以看到其中的镅放射源。镅241不断地放射出α粒子射线，以高速运动撞击空气中的氮、氧等分子，使之局部发生电离，产生带正负电荷的离子，从而使得原来不导电的空气具有导电性，允许一定电流在两个电极之间通过。在电离室两端加上一定的电压，就能形成电离电流。当室内发生意外，产生烟雾，烟的小颗粒进入电离室，和离子结合，降低了电离室内空气的导电性，电流减小到预定值，探测器就会发出火警警报。
图2-18 烟雾探测器