原子弹是一种杀伤力极大的核武器，它在爆炸时释放出巨大的能量。既然是核武器，它的能量自然来自原子核。爱因斯坦的质能方程：E=mc2是原子弹巨大能量来源的理论基础。质能方程告诉我们，能量和质量是一回事，如果可以把质量转化成能量的话，这种能量的释放是巨大的。光速c是一个特别大的数字，约等于3亿，它的平方则是9亿亿这么大的数字。也就是1千克的质量如果转化成能量的话，将释放出9亿亿焦耳的能量。这些能量可以把两亿吨0摄氏度的水烧开。
原子弹爆炸的基本物理过程叫核裂变。所谓核裂变，就是较重的原子核分裂成若干个较轻的原子核，并把质量转化成能量的过程。在了解了原子核的结构之后，20世纪30年代的物理学家们就尝试人工制造不同的元素。不同元素的本质差别无非是原子核内质子的数量不同，如果我们可以人工把质子打入原子核内部，就可以制造各种元素了。但是科学家们发现，在人工制造元素的过程中，到92号元素铀以后，就很难再制造出更重的元素了。原因就是存在裂变现象：太重的元素不稳定，它倾向于裂变成较轻的元素。
原子弹的原理，就是通过大规模的核裂变过程，不断把质量转化成能量。但是要制造一颗原子弹，有三个关键点：第一个关键点自然就是我们说的核裂变，也就是必须要找到能够大规模产生核裂变的材料。这种材料目前来看主要是铀235和钚239。其中钚239是人工元素，铀235则是常见的铀238元素的同位素。铀元素有92个质子，但是中子数可以变化。自然界中大量存在的铀元素是铀238，铀235丰度较低，需要用离心机人工分离，所以极其难以获得。第二个关键点叫链式反应。铀235在裂变反应后会产生中子，这个中子在轰击到另一个铀235原子后，会触发这个铀235原子也发生裂变，裂变又会产生新的中子，这个中子则继续轰击其他铀235原子。这是一个多米诺骨牌式的反应过程，也像一根链条一样，一环扣一环，一旦开启就停不下来，这样的能量释放才是剧烈的，这就是链式反应。第三个关键点叫临界质量，也就是铀235的量一定要足够，否则裂变开始，新的中子产生，周围没有足够多的铀原子让它去轰击，新的裂变未必能顺利开启，因为反应的开启也有一定概率。只有当铀235的含量足够的时候，从反应概率上才能保证链式反应的进行。
原子弹的结构其实相对简单，只要准备两块质量低于临界质量的铀235，把它们分开，爆炸的时候先行引爆原子弹里的普通炸弹，普通炸弹产生的压力把两块低于临界质量的铀235压缩在一起，当它们结合之后的总质量超过临界质量，原子弹就爆炸了。
这里还有一个关键因素，叫减速剂。因为裂变产生的中子速度一般比较快，快速的中子反而不容易与其他铀原子反应。这很好理解，一个慢速飞行的目标一定比一个快速飞行的目标更容易击中。这就需要减速剂来给中子减速，从而提高反应概率。重水和石墨通常被用来做减速剂。减速剂也被用在核电站中，都是为了提高反应概率，从而提高能量释放的效率。
除了铀235以外，钚239也可以用来做原子弹的爆炸材料，当年美国轰炸日本广岛和长崎的原子弹，“小男孩”是铀235原子弹，“胖子”则是钚239原子弹。
