先前所描述的原子內部結構是由科學家拉塞福（Rutherford）先生於1911年以微小粒子高速撞擊金泊所發現的，當時有許多其他科學家也熱衷於類似的撞擊實驗，中子及質子的特性也在此段時間獲得驗證；而在這股研究原子內部特性的風潮中，義大利物理學家費米（Fermi）在1934年以中子撞擊鈾元素後，發現會有新的元素產生，這也是人類第一次發現核分裂反應。
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其後經過多位科學家的努力，發現天然的鈾元素中含有鈾-238及鈾-235兩種同位素，天然鈾中鈾-238的含量為99.3%，鈾-235含量則只有0.7%，而經中子撞擊後也只有鈾-235會發生分裂反應，其反應過程如圖所示；自圖左開始，一個中子撞擊鈾-235原子核後，暫時共同形成鈾-236原子核，同時
因其內部吸收了該中子的能量，故開始作劇烈的啞鈴狀震盪，最後啞鈴狀結構終因震盪過劇而瓦解，並因而產生兩個質量較小的原子核，且放出2到3個新的中子；這時如果旁邊有其他鈾-235原子核存在，則會被新的中子撞擊，繼續發生分裂反應，此即所謂的「連鎖反應」。
在前述的核分裂反應裏，反應後產生兩個較輕的原子核及2至3個中子的
總質量比反應前鈾-235加上一個中子的總質量小，其間損失的質量會變成能量；而根據愛因斯坦（Einstein）在1905年提出的理論，質量變成能量時，其轉換關係為〝能量=質量×光速的平方〞，而光速是一個非常大的數值，約是每秒3億公尺，因此極小的質量即可變成極大的能量。例如1945年在日本廣島上空爆炸的原子彈，其總重量為440公斤，鈾—235含量為45公斤，而其中僅有1公
斤發生核分裂反應，反應中又只有1公克（約如一小塊巧克力重）的質量轉化成能量，但它的威力卻相當於16萬公噸黃色炸藥發生爆炸，瞬間摧毀了整個城市，並造成十幾萬日本人當場死亡。
