原子核是會發生改變的，這會使原子變為其他的元素或同位素。如放射衰變，就是不穩定的原子核自發地改變，放出能量。

核裂變是由於質量較大的原子核與某種粒子發生碰撞所引發的改變。原子核分裂為多個較輕的原子核，並釋放大量能量。

以鈾核常見的核裂變為例，當鈾 235 （\(\textrm{U}\)） 的原子核與一個速度較慢的中子相撞，便有機會俘獲中子，轉變為鈾 236。鈾 236 原子核繼而分裂為質量較小的鋇 141 （\(\textrm{Ba}\)）原子核與氪 92 （\(\textrm{Kr}\)）原子核，並放出三個中子。此過程可以表達為 \[\,^{1}_{0} \textrm{n} + \,^{235}_{92} \textrm{U} \rightarrow \,^{141}_{56} \textrm{Ba} + \,^{92}_{36} \textrm{Kr} + 3\,^{1}_{0} \textrm{n}\]

上述分裂過程還會放出大量能量。其中一部分會通過放出 γ 輻射帶走。其餘能量則增加分裂後原子核和中子的動能，使其溫度上升。

當一個鈾 235 原子核發生核裂變，它會放出數個中子。這些中子有機會擊中其他鈾 235 原子核，引發更多的核裂變，又產生更多的中子。如此循環，使核裂變愈演愈烈，釋放大量能量。此過程稱為連鎖反應。

核裂變的連鎖反應能持續發生，需要滿足以下條件：

• 中子需擊中鈾 235 原子核，這就要求鈾 235 有足夠濃度。天然的鈾只有 0.7% 是鈾 235，其餘大部分是難以發生核裂變的鈾 238。因此，要產生連鎖反應，需將鈾 235 的濃度提煉至 3% 以上。
• 移動速度較慢的中子更容易與鈾 235 原子核反應，引發核裂變。因此鈾 235 的燃料棒會插在減速劑中，一個燃料棒放出的中子，會經過減速劑而減慢速度，從而更容易引發另一燃料棒中的核裂變。