核裂变

機制

核分裂可以在沒有中子撞擊的情形下出現，這種核分裂稱為自發分裂，是放射性衰變的一種，只出現在幾種較重的同位素中。不過大部份的核分裂都是一種有中子撞擊的核反應，反應物分裂為二個較小的原子核。核反應是依中子撞擊的機制所產生，不會依照自發分裂中相對較固定的指數衰減及半衰期特性所控制。
現今已經知道許多種類的核反應，核分裂和其他核反應最大的不同點是核分裂是由中子撞擊所產生，而產生的多個自由中子會撞擊其他核子，會啟動更多的核分裂，因此成為核連鎖反應（鏈反應的一種），有時可以控制一些條件來調整核連鎖反應的影響程度。
可以產生核連鎖反應的化學元素同位素稱為核燃料，也稱為可分裂物質。其中最重要的是²³⁵U（鈾元素的同位素，原子量235），是及²³⁹Pu（鈽元素的同位素，原子量239），這些核燃料分裂後大部份會形成原子量在95及135左右的元素（核分裂產物）。大部份核燃料的自發分裂非常緩慢，透過α/β衰變鏈，時間從的數千紀到數地質年代。在核子反應爐或是核武中，大部的核分裂是由中子的撞擊產生，而核分裂也會產生中子，引發更多的核分裂。

鏈式反應

許多重元素，像是鈾、釷、鈽，會有由放射性衰變產生的自發分裂，以及由中子引發的核反應。任何吸收中子可以發生核分裂的原子核稱為「可分裂物質」（fissionable），但可以吸收緩慢移動的熱中子發生核分裂的原子核才能稱為易分裂物質（fissile）。一些特別的可分裂物質及其同位素（像²³³U, ²³⁵U及²³⁹Pu）可以維持鏈式反應，而且可以提取足夠數量以供使用，這類的物質稱為核燃料。
所有可分裂物質及易分裂物質都會有部份原子出現自發分裂，釋出一些自由中子。自由中子的半衰期約15分鐘，之後會衰變為質子及β粒子，不過在半衰期之前中子就已撞擊到其他原子（新衰變的中子速度約為光速的7%，即使慢速的中子速度也是聲速的8倍。）。有些中子會撞擊原子，引發進一步的核分裂。若附近有夠多的核燃料，或者中子維持的夠久，發射出來的中子數量比離開核燃料的中子要多，此即為持續核連鎖反應。
可以維持持續核連鎖反應的組件稱為臨界組件，若組件都是由核燃料組成，則稱為臨界質量。臨界一詞代表控制燃料中自由中子微分方程的尖點，若質量小於臨界質量，中子的數量是由放射性衰變決定，若質量大於臨界質量，中子的數量則是由連鎖反應決定。臨界質量的實際質量會受幾何形狀及週圍材料的影響。
不是所有可分裂物質都可以產生核連鎖反應，像²³⁸U是鈾元素中豐度最高的同位素，這是可分裂物質，不過不是易分裂物質。若有能量超過1 MeV的中子撞擊²³⁸U，會產生核分裂，不過其產生的中子能量大多數都無法再引發其他的分裂，因此這種同位素不會產生核連鎖反應。若用慢中子撞擊²³⁸U，²³⁸U會吸收中子（形成²³⁹U），並且β衰變，形成²³⁹Np，之後會再相同的程序衰變為²³⁹Pu。這也是中子增殖反應爐製造²³⁹Pu的方法。

原子彈

原子彈是核武器的一種，是利用核分裂的能量來進行破壞的武器。原子彈是特殊設計的核子反應爐，要在原子彈因本身釋放能量而爆炸之前，儘快將大量的能量釋放出來。早期研究核分裂的一個目的就是為了發展原子彈。美國的曼哈頓計劃集合了早期研究核分裂鏈反應的許多科研成果，進行了三位一體核試，並在1945年8月在日本廣島及長崎投放了小男孩及胖子二顆原子彈
。
就算是第一次的原子彈，其爆炸威力也比等重的化學炸藥多了數千倍。例如，小男孩原子彈的重量約4噸，其中60公斤是核燃料，約3.4公尺長，其爆炸威力相當於15000噸的TNT，摧毀廣島市大部份的建築。現代的核武器（包括氫彈等）比第一代等重的純核分裂武器破壞力又多了數百倍（參見核武器當量），因此現代的核飛彈彈頭只有小男孩核燃料重量的1/8（例如W88），TNT當量為475,000 噸，可摧毀比城市大十倍的區域。
原子彈和受控的核子反應爐其核分裂鏈反應的物理基礎是相同的，但在工程設計上有很大的不同，原子彈的目的是一次釋放其所有的能量，而核子反應爐會希望持續的釋放能量。若是核子反應爐過熱，產生爐心熔毀及蒸汽爆炸，因為核子反應爐濃縮鈾的濃度比原子彈低很多，因此不可能像原子彈爆炸一樣造成大型的破壞。現行技術要從原子彈中提取有用的能量仍非常困難，不過有一個火箭推進系統Orion，計劃在太空船後面加上大量的保護及屏蔽，然後在太空船的後面引爆原子彈。
核武器在軍事戰略上的重要性也造成核分裂的技術有高度的政治敏感度。在工程觀點來看，現行的原子彈還算簡單。但核燃料難以取得是大部份國家無法製造原子彈的原因，只有少數的現代工業國家才有核燃料，而且有特別的計劃來製造核燃料（參照濃縮鈾及核燃料循環）。

歷史

核分裂是在1938年在威廉皇帝化學學會的建築物中發現的（現今的柏林自由大學內），當時放射性科學的研究以及描述原子內部的原子核物理學已進行了快五十年。歐內斯特·盧瑟福在1911年提出了原子模型（拉塞福模型），其中有體積很小、高密度且帶正電的核子，其中包含許多質子（當時還沒發現中子），周圍有許多在軌道上運動，帶有負電的電子。。尼爾斯·玻爾1913年在此為基礎，再加入電子的量子特性（波耳模型）。而亨利·貝克勒、瑪麗·居禮及皮埃爾·居禮的研究以及盧瑟福進一步的研究指出，雖然原子核的束縛力強，但雖然會有不同形式的核衰變（像α衰變會放出α粒子，也就是氦原子核，其中有二個中子和二個質子），之後嬗變為其他元素。
科學家當時已對核嬗變進行一些研究。盧瑟福在1917年利用α粒子撞擊，將氮原子嬗變為氧原子¹⁴N + α → ¹⁷O + p ，這是第一次觀測到的核反應，也就是設法讓一個粒子衰變，產生其他粒子。1932年盧瑟福的同事歐內斯特·沃爾頓和約翰·考克饒夫完成了一個完全人工的核反應和核嬗變，利用人工加速的質子撞擊鋰-7，將其撞擊成二個α粒子，這當時稱為「分裂原子」，不過這個和後來重元素的核分裂不同。當時也在研究「結合原子」（即核融合）的可能性。第一個人工的核融合是馬克·歐力峰在1932年開始的，用二個加速的氘原子核（含有一個中子和一個質子）融合為一個氦原子核。
英國科學家詹姆斯·查德威克在1932年發現中子，之後恩里科·費米和他在羅馬的同事在1934年研究用中子撞擊原子序為92的鈾原子。費米認為他們的實驗產生了有93個質子及94個質子的元素，命名為Ausonium及hesperium，不過有些科學家不認同費米下的結論。德國科學家伊達·諾達克在1934年提出質疑，認為產生的不是一個新的，原子序93的元素，而是「原子核被分為數個較大的碎片。。只是當時很少人支持諾達克的論點。
在費米發表後，奧托·哈恩、莉澤·邁特納及Fritz Strassmann等人在柏林進行類似的實驗。邁特納是個奧地利猶太人，因為納粹1938年占領奧地利而失去了身份，邁特納逃到瑞典，但繼續和哈恩通信。當邁特納在12月19日收到哈恩的信，有一些化學的證據證實由中子撞擊鈾產生的原子是鋇 ，剛好她的姪子奧托·羅伯特·弗里施也在瑞典。哈恩認為是原子核的爆破，但他不知道有關此結果對應的物理基礎為何。鋇的原子量比鈾少40%，而當時還沒有任何已知的衰變會讓質量有這麼大的變化。弗里施懷疑此結果，但邁特納相信哈恩在化學上的專業。邁特納和弗里施正確的詮釋了哈恩實驗的結果，鈾原子核被分為大約兩半。弗里施建議此過程可以稱為「核分裂」，借用生物學中一個細胞分為二個細胞的細胞分裂。
哈恩和Strassmann在1938年12月22日提出了手稿給《自然科學》雜誌，說明他們用中子撞擊鈾，發現了鋇元素。同時他們也將實驗結果寄給在瑞典的邁特納，邁特納和弗里施正確的將此結果詮釋為核分裂的證據。弗里施在1939年1月13日確認此aaa實驗。因為證實了由中子撞擊鈾產生的鋇是核分裂的產物，
哈恩獲得了1944年的諾貝爾化學獎，原因是「發現重原子核的核分裂」（此獎項在1945年才給哈恩，因為諾貝爾委員會認為1944年化學獎的提名人都不符合諾貝爾的遺願，此時諾貝爾委員會可以將獎項留到第二年再頒發。）。