La totalità della massa dell'atomo si concentra praticamente nel nucleo, formato da Protoni e Neutroni, chiamati genericamente Nucleoni. Nel nucleo la repulsione elettrostatica tra i protoni è molto intensa, ma esso è mantenuto unito da una forza specifica, detta Interazione (o Forza) Nucleare Forte, di natura diversa dalle forze - gravitazionale ed elettrica - che agiscono nel mondo macroscopico. La Forza Nucleare Forte è estremamente intensa, ma decresce molto rapidamente all'aumentare della distanza tra i nucleoni; perciò il nucleo, quando le sue dimensioni aumentano tanto da non permettere alla Interazione forte di superare quella elettrica repulsiva, tende a decomporsi formando, così, nuclei più stabili.
La massa del nucleo atomico non è mai esattamente uguale alla somma delle masse dei singoli protoni e neutroni che lo compongono, ma è leggermente inferiore (difetto di massa). Una parte di materia, infatti, si presenta sotto forma di energia che lega i nucleoni tra loro (massa ed energia sono equivalenti, secondo la teoria della relatività di Einstein). Al difetto di massa Dm corrisponde una produzione di energia E secondo la relazione di Einstein,dove la costante di proporzionalità

E = c2.Dm

c rappresenta il valore della velocità della luce nel vuoto.
Perché un atomo si scomponga nei suoi componenti occorre una notevole energia che equivale a quella che tiene uniti i suoi costituenti; in particolare, l'energia necessaria a determinare la decomposizione del nucleo è definita Energia Nucleare.
Esiste un rapporto ottimale Neutroni/Protoni, che é in relazione con la massima stabilità del nucleo. Quando tale rapporto è diverso dall'unità, il nucleo tende a diventare instabile e ad espellere alcuni suoi "frammenti" sotto forma di Radiazioni nucleari. Mediante l'emissione di queste, il nucleo dell'elemento si può stabilizzare. I nuclei continuano a trasformarsi secondo il fenomeno chiamato Decadimento Radioattivo, finché non raggiungono la massima stabilità possibile.