Einstein'ın 1905 yılında ortaya koyduğu ünlü denklem, kütle ile enerjinin birbirine dönüşebileceğini gösterir. Bu denkleme göre çok küçük bir kütle bile, ışık hızının karesiyle çarpıldığında son derece büyük bir enerjiye karşılık gelir. Ancak Einstein'ın denklemi ortaya çıktığında, bu enerjinin pratik olarak nasıl açığa çıkarılabileceği bilinmiyordu. Bu sorunun yanıtı, atomun çekirdeğinde gizliydi. Çekirdeklerin bölünmesi ya da birleşmesi, kütlenin bir kısmının enerjiye dönüşmesine yol açabiliyordu.

Atom çekirdeği, pozitif yüklü protonlardan ve yüksüz nötronlardan oluşur. Pozitif yüklü protonlar birbirini elektriksel olarak iter. Bu itmeye karşın çekirdeğin dağılmadan bir arada kalabilmesi, güçlü nükleer kuvvet adı verilen bir kuvvet sayesindedir. Bu kuvvet, çok kısa mesafelerde son derece güçlüdür; ancak çekirdeğin boyutlarının biraz ötesinde etkisini neredeyse tamamen yitirir. Çekirdeği bir arada tutan bu kuvvetle ilişkili enerjiye bağlanma enerjisi adı verilir.

İlginç biçimde, bir çekirdeğin kütlesi, onu oluşturan protonların ve nötronların tek tek kütlelerinin toplamından biraz daha azdır. Bu kütle farkı, çekirdeğin bağlanma enerjisine karşılık gelir. Demir civarındaki orta büyüklükteki çekirdekler, en sıkı bağlanmış ve en kararlı çekirdeklerdir. Uranyum gibi çok ağır çekirdekler ile hidrojen gibi çok hafif çekirdekler ise daha gevşek bağlanmıştır. Bu durum, enerji elde etmenin iki farklı yolunu ortaya çıkarır: ağır çekirdekleri bölmek ya da hafif çekirdekleri birleştirmek.

Ağır çekirdeklerin bölünmesine fisyon adı verilir. 1938 yılının sonunda Alman kimyacılar Otto Hahn ve Fritz Strassmann, uranyumu nötronlarla bombardıman ettiklerinde, ürünler arasında çok daha hafif bir element olan baryum bulduklarını fark etti. Bu sonuç başlangıçta açıklanamadı. Hahn'ın uzun yıllar birlikte çalıştığı ve Nazi Almanyası'ndaki baskılar nedeniyle İsveç'e kaçmak zorunda kalan Avusturyalı fizikçi Lise Meitner, yeğeniyle birlikte bu sonucun, uranyum çekirdeğinin ikiye bölünmesiyle açıklanabileceğini gösterdi. Meitner'in bu keşifteki kritik rolü, Nobel ödülü verilirken göz ardı edildi ve bu durum bilim tarihinin en çok tartışılan haksızlıklarından biri olarak anılır.

Fisyonun en önemli özelliklerinden biri, zincirleme tepkimeye yol açabilmesidir. Bir uranyum çekirdeği bölündüğünde, büyük miktarda enerjinin yanı sıra iki ya da üç yeni nötron da açığa çıkar. Bu nötronlar başka uranyum çekirdeklerine çarparak onların da bölünmesine yol açabilir. Her bölünme yeni bölünmeleri tetikler ve tepkime çığ gibi büyüyebilir. Bu süreç kontrolsüz biçimde gerçekleştiğinde, son derece kısa bir sürede muazzam bir enerji açığa çıkar. Atom bombasının çalışma ilkesi budur.

Zincirleme tepkime kontrol altında tutulduğunda ise sürekli ve güvenilir bir enerji kaynağı elde edilebilir. Nükleer santrallerde, açığa çıkan nötronların bir kısmı, kontrol çubukları adı verilen ve nötronları soğuran malzemelerle yakalanır. Böylece tepkimenin hızı sabit tutulur. Fisyon sonucu açığa çıkan ısı, suyu buhara dönüştürmek için kullanılır ve bu buhar, elektrik üreten türbinleri döndürür. Nükleer enerji, çalışırken karbondioksit salmadığı için iklim değişikliğiyle mücadelede bir seçenek olarak tartışılmaktadır.

Ancak fisyon enerjisinin ciddi sorunları da vardır. Nükleer santrallerde oluşan atıklar, binlerce yıl boyunca radyoaktif kalabilir ve güvenli biçimde saklanmaları büyük bir sorundur. Ayrıca santrallerde meydana gelebilecek kazalar, geniş bölgelerin radyasyonla kirlenmesine yol açabilir. Tarihte yaşanan bazı büyük nükleer kazalar, bu riskin ne kadar ciddi olabileceğini göstermiştir. Bu nedenle nükleer enerji, pek çok ülkede yoğun tartışmalara konu olmaktadır.

Hafif çekirdeklerin birleşmesine ise füzyon adı verilir. Füzyon, evrendeki en temel enerji kaynaklarından biridir. Güneş ve diğer yıldızlar, merkezlerinde hidrojen çekirdeklerini birleştirerek helyum oluşturur ve bu süreçte açığa çıkan enerjiyle parlar. Dünya'daki yaşamın neredeyse tamamı, bu füzyon tepkimelerinden gelen enerjiye bağlıdır.

Füzyonu Dünya'da bir enerji kaynağı olarak kullanmak, bilim insanlarının onlarca yıldır peşinde olduğu bir hedeftir. Füzyonun yakıtı olarak kullanılabilecek hidrojen türleri, deniz suyundan elde edilebilir ve neredeyse tükenmez bir kaynak oluşturur. Füzyon, fisyona göre çok daha az uzun ömürlü radyoaktif atık üretir ve kontrolden çıkan bir zincirleme tepkime riski taşımaz. Ancak füzyonu gerçekleştirmek son derece zordur. Pozitif yüklü çekirdeklerin birbirini itmesini yenebilmek için milyonlarca derece sıcaklıkta bir ortam oluşturmak ve bu ortamı yeterince uzun süre kontrol altında tutmak gerekir.

Bu sıcaklıklarda madde, plazma adı verilen ve elektronların atomlardan koptuğu bir hâle geçer. Hiçbir malzeme bu sıcaklıklara dayanamayacağı için bilim insanları, plazmayı güçlü manyetik alanlarla havada asılı tutan dev düzenekler ya da yakıtı son derece güçlü lazerlerle sıkıştıran yöntemler geliştirmiştir. Son yıllarda bazı deneylerde, füzyon tepkimelerinden elde edilen enerjinin yakıta verilen enerjiyi aştığı bildirilmiştir. Ancak füzyonun ticari bir enerji kaynağına dönüşmesi için hâlâ aşılması gereken önemli teknik engeller bulunmaktadır.

Atomun çekirdeğindeki enerji, insanlığa hem büyük bir güç hem de büyük bir sorumluluk getirmiştir. Aynı fizik ilkeleri, şehirleri aydınlatmak için de yok etmek için de kullanılabilir. Bu enerjinin nasıl kullanılacağı, bilimin olduğu kadar toplumların vereceği kararlara da bağlıdır.