원자는 중심에 원자핵이 있고 핵 주위를 전자가 돌고있고, 초고온에서 원자핵으로부터 벗어난 전자를 자유전자라 하고 원자핵과 전자가 분리된 상태를 플라즈마라 하고, 원자핵은 양성자와 중성자로 구성되어 있고, 양성자는 업 쿼크(up quark:+(2/3)) 2개와 다운 쿼크(daun quark:-(1/3)) 1개로 되어 있고((2/3)+(2/3)-(1/3)=+1 즉 양성자에는 +전기 1개가 있음), 중성자는 업 쿼크(up quark:+(2/3)) 1개와 다운 쿼크(daun quark:-(1/3)) 2개로 되어 있고((2/3)-(1/3)-(1/3)=0, 즉 중성자는 전기적으로 중성), 양성자와 중성자는 글루온(glue접착제,풀+on입자)입자에 의해 강한 힘(핵력,강력)으로 결합되어 있고, 양성자는 업 쿼크(+(2/3)) 하나가 약력(+W boson, Z boson)에 의해 다운 쿼크(-(1/3))로 바뀌면서[역베타(양의 베타)붕괴되면서)] 양전자(+1) 1개와 중성미자 1개가 나오면서 중성자가 되고, 중성자는 다운 쿼크(-(1/3)) 하나가 약력(-W boson, Z boson)에 의해 업 쿼크(+(2/3))로 바뀌면서[베타(음의 베타)붕괴되면서] 전자(-1) 1개와 중성미자 1개가 나오면서 양성자가 된다. 양성자의 업 쿼크(+(2/3)) 하나가 핵 주위에 돌고 있는 전자(-1) 1개를 포획하여 다운 쿼크(-(1/3))로 바뀌면서 중성자가 되는 경우도 있다. 에너지가 높은 상태에서는 업쿼크, 다운쿼크, 전자, 중성미자는 charn quark, strange quark, 뮤온, 뮤 중성미자로 바뀌고, 더 높은 에너지 상태에서는 top quark, bottom quark, 타우, 타우 중성미자로 바뀐다. 약력인 W boson, Z boson이 질량을 갖게 해주는 힉스 입자를 goddamn particle(제기랄 입자, 빌어먹을 입자:발견하기가 너무 힘들어서)이라고 했다가 damn를 빼고 출판하여 god particle(신의 입자)가 되었다. 양전자(+1)와 전자(-1)가 충돌하면 쌍소멸되면서 감마선이 발생하고 감마선이 충돌하면 양전자와 전자가 발생할 수도 있다.
표준 모형(입자:물질, 상호작용)에서 4가지 상호 작용은 매개 입자에 의해 일어난다고 설명한다. 전자기력을 매개하는 입자는 광자이며, 약한 상호 작용을 매개하는 입자는 W 보손과 Z 보손이고, 강한 상호 작용을 매개하는 입자는 글루온(gluon)이다. 중력은 중력자(graviton)에 의해 매개된다고 추정하고 있지만, 아직 발견되지는 않았다.
전에는 중성미자를 유령 입자라고 했지만 중성미자는 질량이 거의 제로에 가까우며 일반 원자와 상호작용하지 않기 때문에 땅속을 진공상태처럼 통과한다. 최근 실험에서 중성미자가 빛보다 빨라 빛보다 빠른 것은 없다고 말한 아인슈타인은 틀렸다고 말한다. 중성미자는 태양에서 어마어마하게 나와 지금도 내 몸을 통과하고 있다. 중성미자는 태양 중심에서 핵융합할 때 양성자가 양의 베타붕괴되면서 나오고, 만약에 중성미자가 나오지 않으면 태양은 꺼진 것이지만 햇빛은 만년이상 계속 나온다(태양핵에서 빛이 밖으로 나오는데 만년이상 걸림).
중성미자는 약력의 결과(흔적)이고, 약력(약한 상호 작용)을 매개하는 입자(W 보손과 Z 보손)는 쉽게 발생하지 않아 태양같은 항성들의 핵융합이 서서히 일어나 우주의 수명이 지금처럼 길다고 볼 수 있다. 태양같은 항성들이 핵분열처럼 연쇄반응이 빠르면 우주의 수명은 벌써 끝났다.
플라즈마 상태에서 원자핵들의 평균 에너지가 쿨롱 장벽을 뛰어넘을 만큼 충분히 높지 못한 경우에도 소수나마 존재하는 고에너지의 원자핵들이나 낮은 확률로 일어나는 양자 터널링을 통해서도 핵융합이 일어날 수 있다. 태양처럼 높은 압력 덕분에 온도가 높지 않더라도 원자핵들끼리의 충돌이 잦고 양자터널링도 잦아 안정적으로 핵융합이 일어날 수 있다. 가벼운 원자핵이 핵융합할 때는 에너지를 방출하고 핵분열하려면 에너지를 흡수해야 하며, 무거운 원자핵이 핵융합하려면 에너지를 흡수해야 하고 핵분열하면 에너지를 방출한다.
에너지 불확실성의 원리에 따르면 양자 입자의 에너지는 정확하게 측정할 수 없으며 양자 입자가 특정 에너지를 가지지 않고 일정한 에너지 대역 내에서 분포한다. 양자 터널링은 특정 에너지를 가진 입자가 장벽을 넘는 것이 불가능하더라도 에너지 불확실성의 원리에 따라 어떤 입자가 해당 장벽을 통과할 가능성이 있다.
태양핵에서 플라즈마 상태의 양성자는 업 쿼크(+(2/3)) 하나가 약력(W boson, Z boson)에 의해 다운 쿼크(-(1/3))로 바뀌면서[역베타(양의 베타)붕괴되면서)] 양전자(+1) 1개와 중성미자 1개가 나오면서 중성자가 되고, 이 중성자는 양성자와 융합하여 중수소 원자핵이 되고, 이 중수소 원자핵이 양성자와 융합하여 He-3원자핵이 되고 에너지가 나온다. 이런 식으로 만들어진 2개의 He-3원자핵이 융합하여 He-4원자핵이 되고 에너지와 양성자 2개가 나온다. 양전자(+1)는 전자(-1)와 충돌하여 쌍소멸되면서 감마선을 발생한다.
핵융합 발전에서 중수소(양성자 1개와 중성자 1개)와 삼중수소(양성자 1개와 중성자 2개)가 융합하면 헬륨(He-4)과 중성자 1개와 에너지가 나온다. 헬륨3를 이용한 핵융합 발전에서 헬륨3(양성자2개와 중성자 1개)와 중수소(양성자 1개와 중성자 1개)가 융합하면 헬륨(He-4:양성자2개와 중성자 2개 )과 양성자 1개와 에너지가 나온다.
우라늄 광석에는 99.3%의 우라늄-238(U92)과 0.7%의 우라늄-235(U92)가 있는데 우라늄-238은 핵분열을 일으키지 않으므로 우라늄-235의 함량을 높여준 것을 농축 우라늄(2~4%의 저농축 우라늄-235는 원자력 발전에 사용하고 95%정도의 고농축 우라늄-235는 핵폭탄에 사용)이라 하고 여기에 느린 중성자를 충돌시키면 이 느린 중성자를 흡수하여 우라늄-236이 되고 이것은 바로 분열하여 크립톤-92(Kr36)와 바륨-141(Ba56), 스트론튬(Sr38)과 제논(Xe54), 루비듐(Rb37)과 세슘-137(Cs55), 요오드-131(i53) 등과 2~3개의 빠른 중성자와 결손 질량만큼 에너지로 바뀐다. 빠른 중성자는 우라늄-235가 흡수하지 못하므로 중수나 흑연으로 감속하여 사용하고 연쇄반응이 빠르면 폭발하므로 중성자를 잘 흡수하는 카드늄이나 붕소화합믈을 이용하여 제어한다. 우라늄-235를 93%로 농축하면 최소 52kg(임계질량)정도 있어야 연쇄반응이 일어난다. 이 우라늄을 두 덩어리로 나누었다가 합쳐지면 임계질량(우라늄 50kg정도, 플루토늄 10kg정도)보다 커지게 되어 폭발하는 것이 우라늄 폭탄이다. 플루토늄-239는 보통 우라늄 폐연료봉을 PUREX(plutonium uranium extraction:핵연료 재처리 기술로 사용후 핵연료를 질산에 녹여 액체로 만든 다음 화학적 환원반응을 이용해 금속상태의 플루토늄만 뽑아내는 기술) 처리해서 생산되고 핵폭탄이나 원자로의 연료로 사용된다. 원자로에서 우라늄-238에 중성자를 충돌시키면 베타붕괴되면서(중성자의 다운 쿼크 1개가 업쿼크로 바뀌면서 양성자가 되고 전자 1개 방출) 넵투늄-239(Np93)가 되고, 이것이 또다시 베타붕괴되면서 플루토늄-239(Pu94)가 된다. 원자로에서 우라늄-238에 중성자를 충돌시키면 1~2%의 플루토늄-239가 생긴다. 고순도 플루토늄-239를 폭약으로 압축되든 해머로 찍든 뭉쳐놓기만 하면 핵 연쇄반응이 일어난다. 우라늄-235나 플루토늄-239를 임계질량(연쇄반응을 일으키는 최소질량) 이상으로 모아두면 제어할 수 없는 핵 연쇄반응이 일어난다. 연구초기에 임계질량 미만으로 나뉘어 있던 서로 다른 두 개의 플루토늄 덩어리가 실수로 결합되어 버리는 바람에 연쇄반응을 일으켜 방사능에 피폭되었고, 임계질량 미만의 플루토늄에 실수로 떨어진 벽돌이 중성자 반사재 역할을 하는 바람에 핵 연쇄반응을 일으켜 피폭되었고, 큰 용기에 플루토늄-239 용액을 가득 담는 큰 실수를 저질렀고, 큰 용기 안에 플루토늄이 지나치게 모이면서 핵 연쇄반응이 시작되어 빛과 열이 나자 깜짝 놀라 큰 용기를 떨어뜨렸고 플루토늄 용액은 엎질러졌다. 엎질러진 플루토늄-239 용액을 다시 용기에 담아 배수구에 버렸다. 그러자 더 큰 연쇄반응이 일어났다. 물은 더 없이 좋은 중성자 감속제이다. 물이 있으면 더 적은 양의 플루토늄으로도 연쇄반응이 가능해진다. 플루토늄-238은 알파붕괴로 열과 빛을 방출하는 원자력 전지로 사용되고 알파선은 2.5mm의 납으로 감싸면 차폐된다. 플루토늄-240은 플루토늄-239에 중성자 1개가 달라붙은 것으로 핵폭탄 원료로 사용할 수 없고, 감마선을 방출하고, 플루토늄-239의 연쇄반응을 방해하고, 핵원료를 오래 사용할수록 플루토늄-239보다 플루토늄-240이 많아진다. 플루토늄-239의 핵분열은 알파붕괴되면서 우라늄-235가 되고 이것은 중성자를 만나 크립톤과 바륨, 스트론튬과 제논 등으로 분열되면서 질량 결손만큼 에너지로 바뀐다. 수소폭탄의 내부는 위쪽에 핵분열을 일으키는 폭탄이 있고 아래쪽에 핵융합을 일으키는 폭탄이 있다. 핵분열 폭탄의 내부에는 약 6kg의 플루토늄 구체(공모양)가 있고, 중심에 폴로늄208이나 악티늄227-베릴륨의 중성자 점화기(또는 전기 폭발식 중성자 발생기)가 있고, 플루토늄 구체는 우라늄-238이 감싸고 있으며, 그 위에 일반 폭탄이 둘러싸고 있다. 뇌관이 터져서 충격이 가해지면 가장 중심에 있는 폴로늄208이나 악티늄227-베릴륨이 섞이며 중성자를 방출하게 되고, 중성자는 플루토늄과 반응하여 핵분열을 급속히 일으키고 플루토늄의 임계질량이 상대적으로 작아지게 되고 주변에 있는 우라늄-238이 중성자를 흡수하여 플루토늄-239가 되어 짧은 순간에 폭발하게 되고, 아래쪽에 핵융합 폭탄은 우라늄-238 케이스로 만들어졌고, 안쪽에 중수소화 리튬이 중앙에는 플루토늄이 있다. 고체 형태의 중수소화 리튬이 고온에서 중성자의 충격을 받으면 헬륨과 중수소, 삼중수소가 생성되는데 이 중수소와 삼중수소가 핵융합 반응을 일으키게 된다. 폭탄의 바깥은 스티로폼으로 덮여있고, 폭탄 표면은 열에 강하고 반사율이 높은 베릴륨으로 둘러싸고 있다.먼저 폭약이 폭발하면 플로토늄이 초임계 상태로 압축되어 핵분열이 시작되고, 고에너지 감마선과 열을 발생시키는 X선이 생기고, 이 에너지는 폭탄 표면에서 내부로 반사되어 핵융합폭탄으로 집중시키고, 이 에너지의 영향으로 스티로품은 플라즈마 상태가 되고 플라즈마의 열과 압력이 중수소화 리튬이 반응하도록 폭탄을 압축시키고, 중수소화 리튬은 헬륨과 중수소, 삼중수소로 분열하고, 중수소와 삼중수소는 다시 융합하여 헬륨이 되는데 이 과정에서 에너지가 발생한다. 여기서 발생한 중성자는 겉표면의 우라늄과 내부의 플루토늄을 핵분열시켜 안과 밖으로 더 많은 압력을 가하게 되고, 이 열과 압력은 더 많은 핵융합이 일어나게 된다.