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有了对原子结构及其成分的正确认识，物理学家们终于能够解释皮埃尔和玛丽·居里夫妇所研究的放射性的根本原因了。每个原子核都由一个个的质子和中子组成，并且这些成分可以发生交换，使一种核转变成另一种核，从而使一种原子转化成另一种原子。这正是放射性这种现象背后的机制。
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例如，像镭这样的重原子的核是非常大的。事实上，居里夫妇研究的镭原子核包含88个质子和138个中子，这么大的核通常是不稳定的，因此很容易衰变成较小的核。就镭的情形而言，镭核以α粒子的形式（它恰好也是氦原子的核）吐出1对质子和1对中子，其本身因此转化成一个由86个质子和136个中子组成的氡核，如图73所示。这种大核分裂成较小的核的过程称为核裂变。
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尽管我们通常谈到核反应总是联想到非常重的核，但核反应也可能是指非常轻的核，如氢核。氢核和中子可以通过一种被称为核聚变的过程合并在一起转化为氦核。氢是相当稳定的，所以这个过程不会自发地发生，但在适当的高温和压强条件下，氢将聚变成氦。氢之所以聚变成氦是因为氦比氢更稳定，原子核总有一种寻求最大可能的稳定性的趋势。
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图73 镭有多种同位素，但最常见的是一种被称为镭226的特定的核，因为它有88个质子和138个中子，总共226个粒子。镭核大，因此非常不稳定，这使它通过裂变，以α粒子的形式放射出2个中子和2个质子，自身转化到较小的氡核，后者本身也相当不稳定。
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在一般情况下，最稳定的原子是处于周期表中间位置的那些原子，如铁。这些原子还有个特点，就是它们的原子核中质子和中子的数量也处于中等。因此，虽然质量非常大的原子核会发生裂变，质量最小的原子核会发生聚变，但绝大多数中等质量的核则几乎从不发生任何种类的核反应。
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虽然这解释了核反应是如何进行的，以及为什么镭具有放射性（而铁不是），但它并没有解释为什么当镭发生裂变时居里夫妇会检测到如此巨大的能量。核反应因其释放能量而著称，但这些能量是从何而来的？
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答案在于爱因斯坦的狭义相对论，这方面具体内容我们在第2章里没有涉及。爱因斯坦不仅分析了光速，认识到它对空间和时间的影响，而且还推导出物理学里最著名的方程，即E=mc2。这个公式从本质上表明，能量（E）和质量（m）是等价的，并且可以相互转化，转换因子即c2，其中c是光速。光速为3×108m/s，因此c2为9×1016（m/s）2，这意味着一点点质量就可以转化成巨大的能量。
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而且事实上，核反应所释放的能量直接来源于微量质量向能量的转换。当一个镭核转化为氡核和α粒子时，产物的总质量小于镭原子核的质量。质量损失仅为0.0023%，所以1千克的镭将被转换成0.999977千克氡和α粒子。虽然质量损失很微小，但转换因子（c2）巨大，因此丢失的这0.000023千克质量被变换成多于2×1012焦耳的能量，这个能量相当于超过400吨的TNT所释放的能量。聚变反应也以完全相同的方式释放能量，所不同的是所释放的能量的量通常要更大。氢聚变炸弹比钚裂变炸弹更具有毁灭性。
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本章要讨论的天文学或宇宙学已经好久没提起了，但我们应理解，介绍原子物理和核物理领域的突破非常重要，因为它们注定要在大爆炸模型的检验中发挥至关重要的作用。卢瑟福的原子有核模型以及由此出现的对核反应（裂变和聚变）的理解，为天上的研究开辟了一种新的途径。在我们回到本章主题之前，我们先在这里给出对核物理的关键要点的概括：
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1.原子由电子、质子和中子组成。
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2.质子和中子占据原子的中心，即构成原子核。
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3.电子绕原子核做轨道运动。
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4.大质量原子核往往是不稳定的，会发生分裂（核裂变）。
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5.小的核较稳定，但可以发生合并（核聚变）。
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6.裂变/聚变后的核的质量要比最初的核的质量小。
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7.由E=mc2知，这种质量的减少导致能量的释放。
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8.中等质量的核是最稳定的，很少发生核反应。
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9.即使是非常轻或非常重的原子核，要进行聚变或裂变反应，也需要高能量和高压强条件。
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将核物理学的这些法则与天文学联系起来的首批科学家里，有一位叫弗里茨·豪特曼斯的有勇气且有原则的物理学家，向来以魅力和机智著称。他可能是唯一的一位其笑话被编纂成40页的小册子出版的物理学家。豪特曼斯的母亲有一半的犹太血统，他有时用这样的话来回敬反犹言论：“当你的祖先还住在树上时，我的祖先已经会伪造支票了。”
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豪特曼斯于1903年出生在佐波特（Zoppot），一个靠近当时德国丹泽（现今波兰的格但斯克）的波罗的海港口的地方。后来他的父母搬到维也纳，豪特曼斯在那里度过了童年。1920年，他从那里回到德国，在格丁根学习物理学，并在此获得了一个研究员的职位。通过与英国科学家罗伯特·德埃斯库特·阿特金森一起工作，他开始迷上了这样一个概念：核物理可以用来解释太阳和其他恒星是如何燃烧的。
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众所周知，太阳主要是由氢和部分的氦组成的，因此人们很自然地假定，太阳产生的能量是氢聚变成氦的核反应的结果。当时还没有人在地球上观察到核聚变，因此对这种机制的细节并不清楚。但业已知晓，如果氢可以在某种程度上转化成氦，将有0.7%的质量损失：1千克的氢以某种方式被聚变成0.993千克氦时，将有0.007千克的质量损失。同样，看上去这个质量损失很小，但爱因斯坦的质能关系式E=mc2告诉我们，这一看似微小的质量损失甚至能够产生数量巨大的能量：
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能量=mc2=质量×（光速）2=0.007×（3×108）2=6.3×1014焦耳所以，从理论上讲，1千克的氢可以聚变成0.993千克的氦并产生6.3×1014焦耳的能量，它等于燃烧100000吨煤所产生的能量。
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困扰豪特曼斯的主要问题是，太阳上的条件是否足以引发聚变。前面我们提到，聚变反应不可能自发发生，需要高温和高压。这是因为它们需要输入初始能量来触发核反应。在两个氢核聚变的情形下，这种初始能量对于克服初始的静电斥力是必要的。氢核是带正电荷的质子，所以它会排斥另一个带正电荷的氢核，因为同种电荷相斥。但是，如果质子能得以足够接近对方，那么吸引性的所谓强作用核力就将起作用，它将压倒静电斥力，并使两个氢核安全地绑定在一起形成氦核。
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