核裂变会将化学元素变成另一种化学元素，因此核裂变也是核迁变的一种。所形成的二个原子质量会有些差异，以常见的可裂变物质同位素而言，形成二个原子的质量比约为3:2。大部分的核裂变会形成二个原子，偶尔会有形成三个原子的核裂变，称为三裂变变，大约每一千次会出现二至四次，其中形成的最小产物大小介于质子和氩原子核之间。

现代的核裂变多半是刻意产生，由中子撞击引发的人造核反应，偶尔会有自发性的，因放射性衰变产生的核裂变，后者不需要中子的引发，特别会出现在一些质量数非常高的同位素，其产物的组成有相当的机率性甚至混沌性，和质子发射、α衰变、集群衰变等单纯由量子穿隧产生的裂变不同，后面这些裂变每次都会产生相同的产物。原子弹以及核电站的能量来源都是核裂变。核燃料是指一物质当中子撞击引发核裂变时也会释放中子，因此可以产生链式反应，使核裂变持续进行。在核电站中，其能量产生速率控制在一个较小的速率，而在原子弹中能量以非常快速不受控制的方式释放。

由于每次核裂变释放出的中子数量大于一个，因此若对链式反应不加以控制，同时发生的核裂变数目将在极短时间内以几何级数形式增长。若聚集在一起的重核原子足够多，将会瞬间释放大量的能量。原子弹便应用了核裂变的这种特性。制成原子弹所使用的重核含量，需要在90%以上。

核能发电应用中所使用的核燃料，铀-235的含量通常很低，大约在3%到5%，因此不会产生核爆。但核电站仍需要对反应堆中的中子数量加以控制，以防止功率过高造成堆芯熔毁的事故。通常会在反应堆的慢化剂中添加硼，并使用控制棒吸收燃料棒中的中子以控制核裂变速度。从镉以后的所有元素都能裂变。

核裂变时，大部分的裂变中子均是一裂变就立即释出，称为瞬发中子，少部分则在之后（一至数十秒）才释出，称为延迟中子。

核合成是从已经存在的核子（质子和中子）创造出新原子核的过程。原始的核子来自大爆炸之后已经冷却至一千万度以下，由夸克胶子形成的等离子体海洋。在之后的几分钟内，只有质子和中子，也有少量的锂和铍（原子量都是7）被合成，但相对来说仍只有很少的数量。太初核合成的第一个过程可以称为核起源（成核作用），随后产生各种元素的核合成，包括所有的碳、氧等元素，都是发生在原始恒星内部的核聚变或核裂变。

宇宙线亦称为宇宙射线，是来自外太空的带电高能次原子粒子。它们可能会产生二次粒子穿透地球的大气层和表面。射线这个名词源自于曾被认为是电磁辐射的历史。主要的初级宇宙射线（来自深太空与大气层撞击的粒子）成分在地球上一般都是稳定的粒子，像是质子、原子核、或电子。但是，有非常少的比例是稳定的反物质粒子，像是正电子或反质子，这剩余的小部分是研究的活跃领域。

大约89%的宇宙线是单纯的质子，10%是氦原子核（即α粒子），还有1%是重元素。这些原子核构成宇宙线的99%。孤独的电子（像是β粒子，虽然来源仍不清楚），构成其余1%的绝大部分；γ射线和超高能中微子只占极小的一部分。