La radioattività di un materiale consiste nella emissione di particelle (elettroni, protoni, raggi X, particelle alfa, neutroni) prodotte dalla esplosione spontanea dei nuclei atomici di quel materiale. Si sa che i nuclei di ogni atomo contengono protoni in numero che va da 1 a 92, detto numero atomico: ad ogni elemento della tavola di Mendeleev corrisponde un preciso numero atomico. Essendo ogni protone carico positivamente ed essendo che cariche di segno uguale si respingono secondo la legge di Coulomb, ci si deve aspettare che tutti i nuclei tendano a esplodere (eccetto quello dell'idrogeno che ha solo un protone). A impedire questa esplosione interviene un'altra forza — la forza nucleare — che funziona come una colla che tiene attaccate tra loro le cariche positive purché siano opportunamente circondate dai neutroni (particelle neutre, di massa circa uguale a quella dei protoni).

I neutroni sono presenti mediamente in numero circa doppio del numero di ioni: la somma del numero di protoni e di neutroni dà all'incirca la massa atomica del nucleo (per esempio nell'uranio 235 ci sono 92 protoni e 143 neutroni).

Riassumendo, il nucleo si può assimilare a una pentola a pressione in cui i protoni per via della repulsione coulombiana tendono a esplodere come un gas e la forza nucleare costituisce le pareti di contenimento.

La funzione di contenimento è tanto più difficile quanto più la "pentola" è popolata di protoni. Il numero massimo di protoni che possono essere "tenuti insieme" dalla forza nucleare è 92 (l'uranio per l'appunto).Anche nel caso che la "pentola"funzioni c'è però una certa probabilità che sia insatabile e che esploda casualmente. Questa probabilità dipende dal numero di protoni e dal numero di neutroni che stanno nel nucleo. Quando ciò avviene, il nucleo si distrugge e frammenti di esso vengono sparati nello spazio dando origine alla radioattività naturale scoperta dai Curie.

Questo modello supersemplificato ci dà gli elementi per capire che cosa sia una reazione a catena: è facile convincersi che se un frammento di nucleo sparato nello spazio da un decadimento radioattivo urta un altro nucleo "sotto pressione", quest'ultimo può esplodere a sua volta mandando altri frammenti nello spazio che inducono altre esplosioni "a catena". Si capisce che questo avviene solo se intorno al nucleo che decade per primo, c'è una densità di nuclei instabili sufficiente: se questi sono troppo rarefatti, le particelle prodotte dal primo decadimento si perdono nello spazio senza provocare altre esplosioni.

Supponiamo per esempio che in una esplosione si producano in media due frammenti in grado di "rompere" un nucleo instabile colpendolo. Affinchè la reazione si mantenga è necessario che almeno uno dei due frammenti incontri un atomo di materiale fissile prima di lasciare il reattore, cioè che per ciascuno dei due ci sia probabilità maggiore di 0,5 di urtare un nucleo. Se l è la dimensione del reattore e s è la sezione di ciascuna "pentola", il numero di atomi che il frammento può urtare prima di uscire dal reattore sarà n·l·s (dove n è il numero di atomi radioattivi per unità di volume): questo numero deve essere maggiore di 0,5. Se N è il numero totale di nuclei presenti nel reattore, N = n·V, si ha N·s/l² > 0,5 che dice che la reazione a catena può avvenire solo se si ha nel reattore un numero minimo di atomi N > 0,5·l²/s, detto massa critica.