Vers 1938, les physiciens allemands O. Hahn et F. Strassmann ont observé que certains gros noyaux d'atomes, comme ceux d'uranium, peuvent, après avoir absorbé un neutron, devenir très instables. Ils se divisent alors en plusieurs morceaux de tailles inégales, en dégageant une certaine quantité d'énergie qui projette à grande vitesse ces fragments. C'est le phénomène de fission nucléaire, qui a connu depuis de multiples applications.

Fission.

Dans un noyau atomique, protons et neutrons assemblés forment un ensemble d'autant plus stable que leur énergie de liaison est plus grande. Celle-ci provient du fait que la masse du noyau est inférieure à la somme des masses individuelles des protons et neutrons (les nucléons) qu'il contient (énergie E et masse m sont équivalentes, selon la célèbre formule d'Einstein : E = mc² : pour qu'un système libère de l'énergie, il faut qu'il perde de sa masse). Les noyaux très gros ou très petits ont une énergie de liaison par nucléon moins grande que ceux d'éléments de dimensions moyennes, le fer par exemple. La fission correspond à la cassure d'un très gros noyau en fragments plus petits. Les fragments, qui sont eux-mêmes des noyaux atomiques, sont pour la plupart plus stables que le noyau initial. Des noyaux identiques peuvent se casser en fragments variés. Dans la plupart des cas, la fission produit, en outre, un certain nombre de neutrons. Ceux-ci, à leur tour, peuvent pénétrer dans un atome et en provoquer la fission. Dans certaines conditions, les fissions peuvent ainsi se succéder par réaction en chaîne de façon contrôlable (centrales nucléaires, réacteurs destinés à la propulsion navale) ou se multiplier de façon explosive (bombes nucléaires, dites bombes A). La part du nucléaire dans la production d'électricité s'est développée au cours du XX^e siècle mais son essor est remis en cause, notamm. après les accidents de Tchernobyl (1986) et de Fukushima (2011).

Fusion.

La fusion nucléaire, à l'inverse de la fission, consiste à regrouper deux noyaux très légers pour former un seul noyau, et pour utiliser l'énergie de liaison ainsi libérée, le noyau obtenu étant plus stable et plus léger que les noyaux de départ. En principe, la fusion est capable de fournir une quantité considérable d'énergie, à partir de noyaux assez courants dans la nature. Mais sa mise en œuvre est très difficile. En effet, les noyaux ont une charge électrique positive et se repoussent donc violemment si l'on tente de les rapprocher. Pour leur permettre de fusionner, il faut leur communiquer une énergie suffisante afin de surmonter cette répulsion, avec une densité telle qu'ils aient une probabilité raisonnable d'entrer en collision. L'énergie nécessaire correspond à une température de plusieurs dizaines de millions de degrés, ce qui est incompatible avec la présence de tout matériau solide pour les maintenir confinés. La fusion peut être obtenue assez facilement sous une forme explosive, par échauffement des atomes légers à l'aide de l'explosion d'une bombe A. C'est la bombe à hydrogène, ou bombe H. Quant à la fusion contrôlée, elle fait l'objet d'un important effort de recherche dans le monde, notamment le projet ITER à Cadarache (Bouches-du-Rhône), visant à la mise au point de réacteurs thermonucléaires qui permettraient de produire industriellement de l'énergie. Cependant, on n'est pas encore parvenu à la maîtriser au-delà d'une durée de quelques fractions de seconde.