比原子小十萬倍
原子幾乎完全是空的。拉塞福1911年的金箔實驗把 α 粒子射向薄金箔，發現少數幾乎筆直彈回——除非原子幾乎全部的質量與全部的正電荷集中在一個微小、稠密的核心，否則不可能。那核心就是原子核。若把原子放大成一座體育場，原子核不過是正中央的一粒米。
原子核由質子與中子組成——合稱核子。它們的半徑遵守一條極為簡單的經驗律：把 A 個核子塞進一顆幾乎不可壓縮的球，半徑隨核子數的立方根成長，因此核物質的密度幾乎為定值。
原子核半徑。一費米（fm）比原子小十萬倍。
是什麼頂著自身把它綁住
難題來了。質子都帶正電，依庫侖定律，它們在費米尺度下劇烈互斥——相距 2 fm 的兩個質子，其靜電能量將近典型化學鍵的一百萬倍。然而原子核不僅能存在，還是已知結合最緊的系統之一。必定有某種遠強於電力的東西在作用：強核力。
核力是吸引性的、短程的（超過約 2–3 fm 便迅速消失）、與電荷無關的（質子—質子、質子—中子、中子—中子感受到的幾乎相同），而且會飽和——一個核子只與緊鄰的核子成鍵，而非與整個核。飽和正是束縛能與體積成正比的原因，也是下一篇一切內容的種子。
同位素與核種圖
一個原子核由兩個整數標記：質子數 Z（決定化學元素）與中子數 N，質量數 A = Z + N。固定 Z、改變 N，就得到同一元素的同位素——碳-12 與碳-14 是同一元素、化學上完全相同，核物理上卻天差地別（一個穩定、一個具放射性）。
把每一個已知核種畫在 N（橫軸）對 Z（縱軸）的格點上，穩定的核種描出一條狹窄的對角帶——穩定谷。輕的穩定核貼近 N \approx Z 這條線；重的則偏向中子過剩（N > Z），因為多餘的中子稀釋了質子—質子斥力卻不增加電荷。偏離谷壁的核具放射性，會衰變回谷中——這是第四篇的主題。
質量即能量——核心觀念
秤一顆氦-4 原子核，並與兩個自由質子加兩個自由中子相比：原子核比它自己的原料還輕。那消失的質量，即質量虧損，並沒有憑空不見——透過$E=mc^2$，它在原子核形成時以能量的形式釋放出來。要再把原子核拆開，你必須把那份能量還回去。那正是核束縛能。
每位核物理學家都背下的換算：一個原子質量單位相當於 931.5 MeV。
為何核融合與核分裂都會釋放能量
以下是整個領域所依託的單一圖像。把每個原子核的束縛能除以其核子數，得 B/A，並對質量數 A 作圖。曲線自氫急遽上升，在 A \approx 56–62（鐵—鎳區）達到約每核子 8.8 MeV 的寬廣極大值，之後朝鈾緩緩下降。
一個原子核在這條曲線上越高，就結合得越緊——因而越輕、越穩定、能量越低。所以有兩條下坡路。取左側陡坡上的兩個輕核，把它們融合成曲線上更高處的一個較重核：能量釋出。取右側緩坡上的一個極重核，把它分裂成曲線上更高處的兩個中等質量碎片：能量也釋出。輕核的核融合與重核的核分裂，都朝著鐵峰前進。