。原子核中蕴藏巨大的能量。根据质能方程E=mc，原子核之净质量变化（反应物与生成物之质量差）造成能量的释放。如果是由重的原子核变化为轻的原子核，称为核裂变，如原子弹爆炸；如果是由较轻的原子核变化为较重的原子核，称为核聚变。一般来说，这种核反应会终止于铁，因为其原子核最为稳定。1920年，亚瑟·爱丁顿提出氢氦聚变可能是恆星能量的主要来源。在卢瑟福的核嬗变实验基础上，马克·奥利芬特于1932年完成了氢同位素的实验室聚变。1930年代，汉斯·贝特提出了恆星核聚变主循环的理论。1940年代初，作为曼哈顿计划