原子核是由质子和中子组成的。由确定的中子数和质子数构成的原子核被称为核素。目前实验上发现了3450多种不同的核素。每种核素都有自己的寿命。这些核素中，稳定的和至今没有观察到衰变的核素只有254种，另外有34种核素，其寿命比地球的年龄还长。它们在核素图上的位置——即β稳定线，位于狭长区域的中央。除这些核素外，其他核素寿命都比较短，统称放射性核素，位于β稳定线的两侧。
离稳定线越远，核素的寿命越短，甚至即生即死。人们不禁要问，这3450多种核素是从何而来？这是一个较为复杂的问题，简单来说：核素有两种来源，即在宇宙演化中产生和实验室中人工合成。
宇宙演化合成的核素
1.1 原初核合成——宇宙大爆炸后的核合成要回答这个问题，首先看看宇宙是从何而来的。依据大爆炸理论，宇宙始于大约133~139亿年前的一次大爆炸，并从此开始了宇宙的膨胀与演化。
直到今天，宇宙的演化仍在进行。大爆炸后约1微秒，质子(p)和中子(n)及其反粒子就开始出现。随着宇宙的膨胀，它的温度也不断下降，质子和中子积累得越来越多。在温度降低到0.7MeV以下时，质子和中子的相互碰撞便有机会结合形成氘核(D)，并将多余的能量以γ射线的形式放出，核反应表示式为：n+p → D + γ 或者 p(n，γ)D。
氘核与质子碰到一起，就可能生成氦原子核，即D(p,γ)3He，氘核与氘核相碰也生成3He 并放出一个中子，即D(d,n)3He。氘核与中子相碰可能会生成有两个中子的氢同位素——氚(3H)，也写作T。有了3He、T，就有更多的机会生成更多种类的核素，如3He(n,p)T，T(d,n)4He，3He(d,p)4He。4He 的生成为进一步合成含有更多质子的原子核提供了机会。
不过，随着宇宙的不断膨胀，温度也在迅速地下降，再加上核合成的路径上缺少质量数为5 和8 的稳定核素，十几分钟后，大爆炸核合成便终止了。在这短短的十几分钟内，主要合成了D、T、3He、4He、7Li、7Be 几个核素。那些比较重的核素生成量极少，可以忽略。
实验室中原子核的诞生国际上第一位对原子核进行嬗变的人是卢瑟福，他虽然没有合成新的核素，但是他通过核反应将一种核素变成了另一种核素。
1919 年，卢瑟福利用来源于镭原子核衰变放射出的α粒子轰击纯的氮气，不仅发现了质子，还产生了氧，核反应式是14N+ α → 17O + p。当然，17O 的鉴别还是布兰克特在1925 年完成的。1932 年，查德威克利用9Be(α,n) 12C反应发现了中子。1934 年，意大利物理学家费米就开始利用中子轰击从氢到铀的一系列靶原子核，发现了许多新的核素。
同时，也发现中子在物质中穿行时会被慢化，慢化后的中子更容易在U原子核上引起反应。在利用中子轰击92 号元素U时，他认为得到了元素序号为93 的新元素。基于上述成果，他于1938 年11 月10 日获得了诺贝尔奖。几乎同时，德国物理学家哈恩等用实验证实，费米认为的93 元素，其实是U吸收中子发生裂变所生成的53 号元素钡的一个同位素，并于同年11 月22 日将文章投到《自然》杂志，次年1 月发表。
费米听到消息后，很快重复实验，证实了哈恩的结果。随后，费米坦率地检讨了自己的错误判断。并在裂变的基础上，很快提出一种假说：当铀核吸收中子发生裂变时，会放射出中子，这些中子又会击中其他铀核，使其发生裂变，这样的反应过程一直继续下去，直到全部原子被分裂。这就是著名的链式反应理论，为原子核裂变能的利用奠定了坚实基础。