핵반응(원자핵 분열이나 원자핵 융합)에 의해 얻어지는 에너지, 곧 원자 에너지를 이르는 말. 우라늄과 같은 무거운 원자핵이 분열하여 가벼운 원자핵으로 될 때(원자핵 분열), 또는 수소와 같은 가벼운 원자핵 이 극히 높은 온도로 결합할 때( 원자핵 융합) 양성자나 중성자의 수에 변화가 일어난다. 이 때 매우 큰 에너지가 방출되는데, 이를 원자 에너지라 하며, 폭발· 연소 에 의한 화학 변화로 생기는 에너지의 1만~100만 배나 크다.

원자력의 역사는 19세기 말에 원자핵이 스스로 붕괴하여 다른 원소로 변하는 것이 발견됨으로써 시작되었다. 1896년에 베크렐은 우라늄이 방사선을 내는 것을 발견했고, 1898년에는 퀴리 부부가 라듐이 방사선을 내고 다른 원소로 변하는 것을 발견했다. 1905년에는 아인슈타인이 물질과 에너지 는 상호 변환한다는 이론을 발표하였고, 1918년에는 러더퍼드 가 원자핵을 인공적으로 파괴시키는 데 처음으로 성공했다. 그 후 1938년에 우라늄 235의 핵분열 반응이 발견되어, 이 때 핵분열에 의해 2~3개의 중성자가 방출된다는 것이 확인되었다. 그리하여 1939년에는 연쇄 반응의 가능성이 예언되어, 그 결과 원자가 지닌 막대한 에너지를 직접 이용하는 것이 이론적으로 가능해졌다.

제2차 세계 대전의 소용돌이 속에서도 각국에서는 비밀리에 원자 에너지의 이용에 관한 연구가 계속되었다. 그리하여 미국은 1942년에 세계 최초의 원자로를 만들었으며, 1943~1945년 사이에는 워싱턴주의 사막에 플루토늄 생산로 3기를 만들게 되었다. 그러나 불행하게도 여기에서 만들어진 플루토늄은 원자 폭탄을 만드는 데 쓰였다. 곧 1945년 8월에 일본 의 나가사키와 히로시마에 세계 최초의 원자 폭탄이 투하되어 막대한 인명 피해와 재산 손실을 가져오게 되었다. 그 후 훨씬 더 엄청난 원자 폭탄이 계속 만들어졌으며, 원자 폭탄보다도 훨씬 더 위력이 큰 수소 폭탄까지 만들게 되었다. 이에 따라 원자력의 국제 관리는 전 인류의 공동 문제로서 심각한 위험으로 등장했으며, 또한 원자력의 평화적 이용에 대한 소리가 높아졌다.

원자력을 평화적으로 이용하기 위해서는 우라늄 등의 핵분열 반응을 제어할 수 있어야 하는데, 이를 위한 장치가 원자로이다. 원자력의 이용은 크게 에너지 이용, 중성자 및 방사선 이용, 방사성 동위 원소의 이용으로 나눌 수 있다.

핵분열 반응에서 방출되는 에너지의 약 85%는 열에너지 이며, 이는 원자력의 이용 중에서 가장 큰 비중을 차지한다. 열에너지는 난방용 및 공업용 증기를 생산하는 데 쓰인다. 최근에는 바닷물의 염분을 없애어 공업용수를 만드는 일이나 원자력 제철 등도 연구되고 있다. 또 원자력을 동력으로 이용하기 위해서는 열기관을 써서 열에너지를 동력으로 변환해야 한다. 동력 이용의 중요한 분야는 원자력 발전 과 원자력선으로, 특히 원자력 발전은 그 경제성의 향상과 함께 급속히 실용화되고 있다. 원자력 발전은 종래의 화력 발전의 보일러 부분을 원자로로 바꾼 것으로 화력 발전 과 그 발전 방식은 똑같다. 또 원자력선은 현재 그 대부분이 잠수함이나 항공 모함 등의 군함이지만, 원자력 쇄빙선 이나 원자력 상선도 취항하고 있다.

우라늄의 핵분열에서 방출되는 중성자와 감마(γ)선 등의 방사선은 물리 실험이나 의료(암치료)에 쓰이며, 플루토늄 이나 각종 방사성 동위 원소의 생산에도 쓰인다.

방사선이 극히 미량으로도 정밀한 측정을 할 수 있다는 특징을 이용한 것이 추적자(tracer) 이용이다. 조사 효과를 이용한 구체적 예로는, 혈액 속에 방사성 동위 원소를 소량 집어 넣어, 그것의 움직임을 특수한 장치로 추적하면 혈액의 순환을 알 수 있다. 또 비료에 방사성 동위 원소를 섞어 추적하면 식물의 생장과 비료와의 관계를 알 수 있다. 이 성질은 의학, 농학, 공학 등에 널리 이용된다. 특히 방사성 동위 원소에서 나오는 방사선 그 자체는 직접 암 치료, 품종 개량, 식품 저장, 공업 계기, 원자력 전지 등 여러 방면에서 널리 이용되고 있다.