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原子核由質子和中子構成，質子數決定原子的種類，中子數則影響原子質量，質子和中子的數目總和被稱為「質量數」，表示該原子的大致質量。因此，即使同樣是氫，也有較輕和較重的氫。事實上，所有的元素都擁有這種原子序數相同但中子數目不同的原子，即同位素。第一個發現同位素的科學家是19世紀英國的物理化學家弗雷德裡克·索迪。
在查德威克發現中子兩年後的1934年，日本的物理學家湯川秀樹預言有一種可以讓原子核的組成分子結合在一起而不四散的力——核力。核力像黏膠一樣作用於質子與中子、質子與質子、中子與中子之間，尤其是質子與中子之間的強大吸引力，將核子組合成原子核。因此，質量大的原子核分裂時會產生巨大能量;質量小的原子核彼此融合(即聚變)時也會產生龐大能量。但要產生核聚變並非易事，一般需要超高溫、高壓等條件。核分裂就是使原子彈爆炸的原理，而核聚變的例子就是太陽。
第三階段宏觀與微觀驚人相似
在量子力學的連接下，微小到千萬分之一毫米的原子世界竟然和宏大到百億光年的天體世界，巧妙地組合在一起，其中最為經典的就是宇宙大爆炸理論。
目前認為，宇宙大爆炸大約發生在137億年前，那時的宇宙處在高溫、高密度的灼熱狀態。根據科學家的研究結果推測，電子、質子、中子大約誕生於大爆炸後的十萬分之一秒以內。大約經過3分鐘後，宇宙的溫度下降至約10億攝氏度，四處飄蕩的質子和中子結合，誕生氦、鋰等質量較小的原子核。再經過大約38萬年後，宇宙溫度大約下降至3000℃，四散的原子核和電子結合，原子誕生了。
恆星聚變能產生的原子質量最大的元素是鐵，它是由內部溫度50億攝氏度，並且具有10倍以上太陽質量的恆星聚變生成的。當製造出鐵之後，質量更大的元素的核聚變反應就不會再進行，恆星開始急速收縮，最後會發生大爆炸，即超新星爆發。