原子彈是一種殺傷力極大的核武器，它在爆炸時釋放出巨大的能量。既然是核武器，它的能量自然來自原子核。愛因斯坦的質能方程：E=mc2是原子彈巨大能量來源的理論基礎。質能方程告訴我們，能量和質量是一回事，如果可以把質量轉化成能量的話，這種能量的釋放是巨大的。光速c是一個特別大的數字，約等於3億，它的平方則是9億億這麽大的數字。也就是1千克的質量如果轉化成能量的話，將釋放出9億億焦耳的能量。這些能量可以把兩億噸0攝氏度的水燒開。
原子彈爆炸的基本物理過程叫核裂變。所謂核裂變，就是較重的原子核分裂成若幹個較輕的原子核，並把質量轉化成能量的過程。在了解了原子核的結構之後，20世紀30年代的物理學家們就嚐試人工製造不同的元素。不同元素的本質差別無非是原子核內質子的數量不同，如果我們可以人工把質子打入原子核內部，就可以製造各種元素了。但是科學家們發現，在人工製造元素的過程中，到92號元素鈾以後，就很難再製造出更重的元素了。原因就是存在裂變現象：太重的元素不穩定，它傾向於裂變成較輕的元素。
原子彈的原理，就是通過大規模的核裂變過程，不斷把質量轉化成能量。但是要製造一顆原子彈，有三個關鍵點：第一個關鍵點自然就是我們說的核裂變，也就是必須要找到能夠大規模產生核裂變的材料。這種材料目前來看主要是鈾235和鈈239。其中鈈239是人工元素，鈾235則是常見的鈾238元素的同位素。鈾元素有92個質子，但是中子數可以變化。自然界中大量存在的鈾元素是鈾238，鈾235豐度較低，需要用離心機人工分離，所以極其難以獲得。第二個關鍵點叫鏈式反應。鈾235在裂變反應後會產生中子，這個中子在轟擊到另一個鈾235原子後，會觸發這個鈾235原子也發生裂變，裂變又會產生新的中子，這個中子則繼續轟擊其他鈾235原子。這是一個多米諾骨牌式的反應過程，也像一根鏈條一樣，一環扣一環，一旦開啟就停不下來，這樣的能量釋放才是劇烈的，這就是鏈式反應。第三個關鍵點叫臨界質量，也就是鈾235的量一定要足夠，否則裂變開始，新的中子產生，周圍沒有足夠多的鈾原子讓它去轟擊，新的裂變未必能順利開啟，因為反應的開啟也有一定概率。隻有當鈾235的含量足夠的時候，從反應概率上才能保證鏈式反應的進行。