El estudio de las reacciones nucleares y la búsqueda de nuevos isótopos radiactivos artificiales, sobre todo entre los elementos más pesados, llevó al descubrimiento de la fisión nuclear y al posterior desarrollo de la bomba atómica. También se descubrieron varios elementos nuevos que no existen en la naturaleza. El desarrollo de reactores nucleares hizo posible la producción a gran escala de isótopos radiactivos de casi todos los elementos de la tabla periódica, y la disponibilidad de estos isótopos supone una ayuda incalculable para la investigación química y biomédica. Entre los isótopos radiactivos producidos artificialmente tiene gran importancia el carbono 14, con un periodo de semidesintegración de 5.730 ± 40 años. La disponibilidad de esta sustancia ha permitido investigar con mayor profundidad numerosos aspectos de procesos vitales, como la fotosíntesis.
Se entiende por fisión, la división de un núcleo muy pesado en un par de núcleos de masa próxima a 60, proceso en el cual se libera gran cantidad de energía.
A finales de 1938, O.Hann y F. Strassmann descubrieron en uranio bombardeado con neutrones, la presencia del radioisótopo 139Ba, formado necesariamente por escisión del núcleo de uranio. Este proceso se denominó Fisión nuclear.
Según el modelo de la gota líquida, la fisión se produce porque al captar un neutrón, el núcleo oscila y se deforma, con lo que pierde su forma esférica adquiriendo la figura de un elipsoide entre cuyos extremos se produce una repulsión electrostática que puede llegar a provocar la rotura del núcleo pesado en dos fragmentos. En el caso del uranio-235, los fragmentos que se forman son núcleos de masas próximas a 95, el menor, y a 139, el mayor. Una reacción de fisión típica es:
235 1 90 144 1
29 0 38 54 0
Puesto que la relación neutrones/protones es más elevada en el uranio que en los dos núcleos formados en la fisión, quedan dos neutrones en exceso que se liberan con gran energía. Si estos neutrones no son captados por núcleos de otros elementos y no escapan de la masa escindible, pueden provocar nuevas fisiones, siempre y cuando se hayan convertido en neutrones lentos mediante moderadores. Se logra así un proceso auto sostenido.
La energía liberada en la fisión de 1 g de uranio-235 es del orden de 108 kJ, es decir unos dos millones de veces la energía que se obtiene por combustión de 1 g de petróleo.
El primer reactor nuclear fue construido por Fermi en 1942, utilizando grafito como moderador. Así, los neutrones liberados al escindirse un núcleo de uranio-235 provocaban la escisión de nuevos núcleos de uranio-235 o la transmutación del uranio-238 en plutonio-239, que es así mismo fisionable.
En las bombas atómicas de fisión, la explosión se produce al unir dos masas de material fisionable de tamaño inferior al crítico. Es decir, que el recorrido medio que debe atravesar un neutrón liberado, en una fisión espontánea para provocar una nueva fisión, es mayor que el diámetro de esas masas. Al unirlas, se supera el tamaño crítico, con lo que se produce una reacción en cadena.
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