Na osnovu proučavanja električnih pojava i radioaktivnosti, stvorena je početkom 20. vijeka predstava o strukturi atomskog jezgra. Tako se 1913. godine smatralo da se jezgro sastoji od alfa čestica, koje su davale glavni doprinos masi jezgra i elektrona čiji je broj zavisio od mjesta elementa u periodnom sistemu. Pomoću ovakvog modela bilo je moguće objasniti pojmove vezane za radioaktivni raspad. Godine 1919. Radeford daje saopštenje o prvom vještačkom pretvaranju jednog elementa u drugi. On je uočio da se prilikom bombardvanja atoma azota alfa česticama pojavljuje novo zračenje, koje se sastoji od jezgra atoma vodonika, kao i da pri tome dolazi do pretvaranja azota u kiseonik. Rezultati ovog eksperimenta doveli su do novog modela atomskog jezgra, prema kome u njihov sastav ulaze i jezgra atoma vodonika, koja je Radeford 1920. godine nazvao protonima. Tada se smatralo da se jezgro sastoji do A protona (A je atomska težina elementa) i (A-Z elektrona, gdje je Z redni broj elementa u periodnom sistemu).

Do novog, veoma značajnog otkrića došlo je 1932. godine, kada je Radefordov učenik Čedvik (James Chadwick, 1894-1974) otkrio novu česticu koja je nazvana neutron. Ubrzo nakon ovog otkrića, 1933. godine Hajzenberg, a nezavisno od njega Ivanjenko (Dimitrije Dimitrijevič Ivanenko, 1904), daju teoriju o protonsko - neutronskoj strukturi jezgra. Prema njihovom učenju, jezgro se sastoji od dvije vrste čestica - protona i neutrona. Ova teorija, koja i danas važi, potvrđena je mnogobrojnim eksperimentima pri kojima dolazi do pretvaranja jednog jezfgra u drugo.

Godine 1934. Frederik Žolio (Frederick Joliot, 1900 - 1958) i njegova supruga Irena Žolio - Kiri (Irene Joliot Curie, 1897 - 1954), pronalaze vještačku radioaktivnost, čiji je rezultat nastajanje radioaktivnih izotopa iz hemijskih elemenata koji su u prirodnim uslovima stabilni. Ovo otkriće omogućilo je proizvodnju izotopa koji su ubrzo našli široku praktičnu primjenu.

Otkriće neutrona predstavljalo je je prekretnicu u proučavanju nuklearnih reakcija. Pošto neutroni nemaju naelektrisanje, mogu lako prodirati u atomska jezgra, pa su zbog toga pogodni za izazivanje reakcija. Prve nuklearne reakcije sa neutronima izazvao je Enriko Fermi (Enrico Fermi, 1901-1954), koji je između ostalog, utvrdio da su u ovim reakcijama naročito efikasni spori - tzv. termalni neutroni, koji se mogu dobiti propuštanjem brzih neutrona kroz običnu vodu.

Proučavanje nuklearnih reakcija dovelo je do otkrića nuklearne fisije 1938. godine. Irena Žolio Kiri i naš naučnik Pavle Savić otkrili su da prilikom bombardovanja urana (Z=92) neutronima, nastaje element sličan latantu (Z=57). Ove eksperimente provodili su iste godine Han (Otto Hahn, 1879-1968) i Štrasman (Strassmann Fritz, 1902) koji su otkrili da se kao rezultat ove reakcije dobija barijum (Z=56). Početkom 1939. godine Liza Majtner (Lise Meintner, 1897-1968) iznosi pretpostavku da ova pojava predstavlja dijeljenje urana: "Prema tome, potpuno je moguće da jezgro urana ima malu stabilnost, pa može poslije zahvata neutrona da se podijeli na dva jezgra približno jednakih dimenzija. Ta jezgra će odbijati jedno drugo, usljed čega će njihova kinetička energija postati oko 200 MeV, kao što pokazuju proračuni na osnovu podataka o razmjerama i dimenzijama nastalih jezgara". istovremeno, do sličnog zaključka došli su Han i Štrasman, F. Žolio, Oto Friš. Ovo otkriće predstavljalo je početak epohe nuklearne energije.

Saznavši o otkriću dijeljenja urana, oštroumni Fermi zaključuje da bi ova reakcija mogla postati lančana ako među produktima ove diobe postoje i neutroni. Njegova pretpostavka se ubrzo ostvarila i krajem 1942. godine grupa naučnika pod Fermijevim rukovodstvom ostvarila je lančanu reakciju u nuklearnom reaktoru.