La matière qui nous entoure est constituée d’atomes, seuls ou, le plus souvent, assemblés en molécules ou en cristaux. Chaque atome comporte un noyau qui concentre la quasi-totalité de la matière, entouré d’un "nuage" d’électrons qui portent chacun une charge électrique négative.

Le noyau d’un atome est constitué d’un assemblage de particules de même masse, les protons chargés positivement et les neutrons qui ne portent pas de charge électrique. Il y a autant de protons que d’électrons : l’atome est électriquement neutre. Le nombre de protons d’un atome, la charge de son noyau, détermine sa nature chimique de 1 (hydrogène) à 92 (uranium). Deux atomes qui ont le même nombre de protons – et donc la même nature chimique - mais un nombre différent de neutrons sont appelés isotopes d’un même élément. La masse atomique d’un isotope est le nombre total de ses protons et de ses neutrons.

   
   
         
Dans les réactions chimiques, les atomes échangent des électrons pour former, détruire ou transformer des molécules. Dans les réactions nucléaires, ce sont les constituants du noyau qui sont remaniés. Les forces qui lient ces derniers sont un million de fois plus fortes que celles qui rattachent les électrons au noyau.
Le noyau de certains isotopes est instable : il doit se débarrasser d’un excès d’énergie en émettant une ou plusieurs particules (électron, photon, noyau d’hélium…) : on dit qu’il se désintègre. Ces isotopes sont radioactifs. Chaque isotope radioactif est caractérisé par sa période radioactive, le temps qu’il faut pour que la moitié d’un nombre donné de noyaux soient désintégrés.

Quand le noyau de certains isotopes d’uranium ou de plutonium absorbe un neutron, il devient instable, et se coupe en deux morceaux inégaux et éjecte à grande vitesse deux ou trois nouveaux neutrons. Ce phénomène, qui s’appelle la fission, s’accompagne d’un grand relâchement de chaleur : la fission d’un gramme d’uranium dégage plus d’énergie que la combustion d’une tonne de pétrole. Ces isotopes sont appelés fissiles, et les deux morceaux, en général radioactifs, sont les produits de fission.

Les neutrons émis lors d’une fission peuvent aussi, dans certaines circonstances, être absorbés dans de nouveaux noyaux fissiles, provoquant une réaction en chaîne de fission. C’est la fission des noyaux de son combustible qui produit l’énergie dans un réacteur nucléaire.