1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，使氮原子嬗变成了氧原子，首次实现了原子核人工嬗变。他在历史上首次把一种化学元素变成了另一种化学元素，被誉为当代炼金术。卢瑟福有一部著作名字就叫《新炼金术》。1932年，卢瑟福的学生查德威克发现中子。由于中子是电中性的，不受静电力的影响，因此很适合作为“炮弹”去轰击原子核。
1934年，约里奥-居里夫妇用α粒子轰击铝，产生了一个天然不存在的放射性元素，即磷的同位素。这个同位素是不稳定的，产生之后很快蜕变为稳定元素硅，同时放出正电子。这一实验的重大意义在于，它首次人工产生了放射性元素。
迄今为止，虽然原子物理学仍在迅速发展，但人们还看不到原子能实际利用的可能性。最先敲开原子大门的卢瑟福在1933年的一次演讲中说：“一般说来，我们不能指望通过这种途径来取得能量，这种生产能的方法是极端可怜的，效率也是极低的。把原子嬗变看成是一种动力来源，只不过是纸上谈兵而已。”爱因斯坦也作如是观。1935年在匹兹堡，记者问他原子能是否可能被实际利用，他回答说：“这就像黑暗中在一个地方射鸟，而此地仅仅有几只鸟。”最伟大的科学家都没料到原子能时代已经近在咫尺。
约里奥-居里夫妇的实验激励实验物理学家们致力于轰击原子核的工作。1934年，意大利物理学家费米改用新发现的中子去逐个轰击元素周期表上的元素原子，到氟时终于得到了放射性同位素，并且在短短几个月内发现了数十种放射性同位素。费米还意外地发现，在中子源与被轰击的银金属之间放一块石蜡后，所激发的核反应更为强烈。这就是说，经过减速后，中子引致核反应的能力更强了。这一发现被认为是原子时代的“真正起点”。费米因此而获1938年诺贝尔物理学奖。
费米的研究小组继续沿着元素周期表往下实验，轰到铀时，他们猜想应该能得到一个原子序数为93的超铀元素，但结果有些异常。一开始他们还以为出现了超铀元素，未对异常现象进一步深究。后来，有不少其他核物理学家同时发现了异常现象。主要的异常是，用中子轰击之后的铀产生了许多新的放射性元素，而这些元素在周期表中并不与铀邻近。德国女化学家诺达克提出，在中子轰击下，铀分裂成几块，只有这样才能解释新出现的放射性元素与铀并不邻近的“奇怪”现象。但这一观点一开始不被人们接受，因为从表面上看，慢中子能量这样小，怎么能将铀的核打碎呢？
1938年，德国物理学家哈恩受约里奥-居里夫妇实验报告的启发，也重做了有关的实验，并且确信铀嬗变后出现的确实是钡、镧等一些与铀相距甚远的元素。哈恩对实验结果感到十分迷惑，便将这些结果和疑问写信告诉了奥地利女物理学家迈特纳。迈特纳当即提出了一个大胆的猜想：铀核在俘获了一个中子后分裂成两个大致相等的部分。她称这一过程为“分裂核”，玻尔后来改称为“核裂变”。她认为裂变过程要发生质量亏损，根据爱因斯坦的质能关系式，裂变应放出大量的能量。迈特纳的侄儿弗里希将姑母的这个想法告诉了玻尔，并说自己要着手验证这个想法。玻尔当时正准备启程去美国开会，刚一到美国，弗里希就电告实验已经证实了迈特纳的想法。玻尔立即将消息告诉了与会的物理学家们，引起了强烈的轰动。有的人甚至连报告都没有听完，就急着赶回去做实验。原子核裂变的实验事实很快就得到了公认。哈恩因此获得1944年的诺贝尔物理学奖。
核裂变的发现很自然地促使人们想到链式反应的可能性。所谓链式反应就是当中子轰击铀核使核发生分裂时，又有新的中子产生从而再轰击别的铀核，使这一反应像链条一样一环扣一环地持续下去。费米在得到核裂变的消息后，当即提出了链式反应的概念，并预言一个重核裂变成两个轻核时一定会出现多余的中子。约里奥-居里夫妇率先证实了链式反应的可能性。他们发现，链式反应速度非常之快。
就在第二次世界大战爆发前两天，玻尔和惠勒指出，铀235比铀238更能发生裂变，而慢中子更能引起裂变。至此，关于释放原子核能的理论和实验依据均已经齐备。科学家们已经清楚地认识到，只要链式反应一开始，无比巨大的能量就会在极短的时间内爆发出来。
