人们从贝克勒尔和居里夫妇发现镭的天然放射性以来，就知道放射性元素能够释放出具有能量的射线。但是放射性元素能释放出能量的原因，其他元素能否放出能量，如何人工控制释放能量，成为当时科学家急需解决的问题。
1902年，居里夫妇在实验中发现：新提炼出来的镭不仅发出辐射，还能发出热和光。据测量，每克镭每小时大约可以放出140卡的热，而光的亮度足以用来看书。居里教授把手放在不可见的镭射线中几小时，结果手上就出现了溃疡，像灼伤一样。若不是亲眼所见，居里夫妇都不会相信有一种元素会不间断的地发出光和热，这些能量从哪里来的呢？莫非在整个宇宙起作用的能量守恒定律，到了巴黎化学院这间矮小、破旧的板屋里就失灵了？
1903年夏天，卢瑟福拜去拜访居里夫妇。在夜晚，居里拿出一个部分涂了硫化锌的玻璃管，里面装有含着许多镭的液体，黑暗中管子的光辉显得灿烂夺目。卢瑟福看得着了迷，他在感叹造物主的伟大的同时，也不由自主地问自己：这能量从哪里来呢？
卢瑟福回到麦吉尔大学后，立即和索迪研究放射性衰变所释放的能量。经测量，1克镭在蜕变时放出的能量也许会在109～1010卡，而氢和氧化合成1克水大约释放出4000卡能量。由此可推断，辐射变化的能量比任何分子变化的能量都至少大2万倍，甚至100万倍。卢瑟福开玩笑说，假如能找到一种合适的起爆物，可以设想在物质中触发一个原子蜕变波，这将使这个旧世界消失在烟雾中。后来索迪在《镭的阐述》一书中提到：若能把潜伏并束缚在原子结构中的巨大能量引出来加以控制，它将是一种改变世界命运的动力！吝啬的自然用一个杠杆小心地控制着所蓄能量的输出。那个能抓住这个杠杆的人将拥有一件武器。如果他愿意，就可以用它毁灭地球。
原子核是能量的聚集地，它的比重极大。如果将1立方厘米的纯粹的原子核物质（即质子和中子）集中在一起，那么重量将达到1亿多吨。
1918年，汤姆生的学生阿斯顿（1922年诺贝尔化学奖获得者）制究成功了可以准确地测量原子核质量的质谱仪。他发现几乎所有的原子重量都十分接近整数，而且它们之间存在着近似倍数关系。如氢为1.008，由4个氢集中在一起的氦为4.002。令人奇怪的是，氦为什么不是4.0032呢？氧不是16，而是15.994。这同整数的微小差别意味着什么呢？阿斯顿经过一系列研究认为：在原子核里，质子和质子之间有电的排斥力。但实验表明，原子核里的质子不但没有彼此分离，而且还和中子紧紧地“抱”成一团。原来，在核子之间还有一种很强的作用力，这种作用力就是核力。就是这种核力，将质子和中子“捆”在一起。现在，人们称核力为结合能。核力有点像“胶”，只在非常小的距离内起作用，一般每一个核子只与相邻的核子有核力作用，距离再大一点就不起作用了。尽管如此，核力作用仍然十分强大。据测算，如果一张纸纯粹是由原子核做成的话，则需要200辆火车头的拉力才能把它撕破。可见，“核力”是非常强大，原子核内蕴含的巨大能量也是非常惊人的。原子重量同整数的微小差别，根据阿斯顿在20世纪20年代进行的研究表明，中等大小的原子核结合得最紧密，周期表两端的原子核变成中等大小的原子核时，会放出能量。小的原子核变成中等大小的原子核，这个过程叫做核聚变。在这个过程中，有质量亏损现象。根据现已由实验证明了爱因斯坦（1921年诺贝尔物理奖获得者）质能关系式：即ΔE=Δmc2（式中E为释放的能量，M为减少或增加的质量，C为光速），可以算出损失的质量会转化成多少能量。一克铀所具有的能量，足够一盏1000瓦的电灯点燃2850年，或者相当于燃烧2000吨汽油的能量。
1933年10月，比利时首都布鲁塞尔举行了世界上第一次讨论核物理的盛会。在会上，约里奥即玛丽·居里的女婿提交了一份报告，他们发现，如果用钋产生的α粒子来轰击中等重量的元素，被击中的靶子将放射出质子。当用α粒子轰击某些较轻的元素，如铝和硼，有时不是放射出一粒质子，而是先放射出一粒中子，然后再放射出一粒正电子，这似乎证明质子是中子和正电子的复合体。这个结论遭到许多与会科学家的怀疑甚至反对。但玻尔却认为他的实验结果很重要。约里奥夫妇回到巴黎，下决心彻底解决这个问题。在实验中，约里奥夫妇用钋放射源来辐射铝片制成的靶子，即用钋放射出的α粒子作“炮弹”，向铝板“开火”，结果可以听到盖革计数器（一种检测辐射粒子的仪器）嘀嘀的响声。当他们把放射源拿开时，中子的放射完全停止了，本来盖革计数器的响声也应该停止，但实际上响声仍然在继续。经实验检测，原来正电子的放射仍在继续进行，像天然放射性元素的放射性那样，在一段时间内逐渐减少，在大约3分钟内衰减到它开始时强度的一半。约里奥夫妇以为盖革计数器出了问题，便请来了有关专家检查，结果证明盖革计数器处于良好的工作状态。约里奥夫妇现在肯定自己发现了用人工方法使物质具有放射性的途径，他们计算了可能发生的变化：铝（13个质子、14个中子）＋α粒子（2个质子、2个中子）→磷（15个质子、15个中子）＋1个中子由于这种结构的磷不稳定，会继续嬗变：磷（15个质子、15个中子）→硅（14个质子、16个中子）＋1个正电子这个实现表明，不但可以像卢瑟福那样将原来的原子核撞下一部分来，而且可能用人工方法使核在放射性衰变中释放出部分能量。约里奥于1935年获得诺贝尔奖，当时他曾经预言：“我们有理由相信，科学家可以随心所欲的聚合或分裂元素，从而使爆炸形式的嬗变成为事实。如果这种嬗变一旦能成功地在物质中蔓延开来，我们可以看到巨大的、可利用的能量将会被释放出来。”
人工放射性的发现使整个科学界躁动不安，匈牙利裔物理学家西拉德也大吃一惊。他出身于匈牙利一个知识分子家庭。小时候身体不好，10岁才开始上学。学习期间曾多次获奖，为人诚实正直。18岁毕业时，他获得全国数学奖，表现出一个科学家的潜在素质。1919年，西拉德前往德国学习物理学，结识了爱因斯坦，深受爱因斯坦的赏识。24岁时，西拉德获柏林大学博士学位。1933年，为逃避纳粹对犹太人的迫害，他来到英国。
1933年9月12日，《泰晤士报》刊出一篇名为《元素的转变》的文章。文中对卢瑟福的观点进行了如下综述：将来也许不需要几百万伏的高压加速轰出粒子，几万伏也许就能造成转变。在这个转变中放出能量，但不能指望用这种方法获得能量。任何人希望从原子的转变过程中获得能源都是在幻想。众所周知，卢瑟福一向治学严谨，非常有先见之明，他那非凡的直觉也一贯是正确的。
1920年卢瑟福推测出可能存在原子量为2的氢的同位素（氘）。1932年，他的关门弟子奥利芬特使用一台首批制造的加速器做实验，发现了氘和氘反应产生某些粒子，但是搞不清这些粒子的性质。后来在卢瑟福的推论下奥里芬特通过实验证实了那些粒子是氦。
卢瑟福的结论在一定程度上被人们认为是真理了，所以对他的结论或预测提出异议的科学家很少。不过，他关于原子能利用的推测却令物理学家西拉德非常不满。西拉德认为卢瑟福的结论下得太早了，而且很可能是错的。小居里夫妇的发现为人工释放原子能开辟了一条新的道路。
1934年9月，西拉德提出了用中子轰击原子核比用α粒子更有效。他找到了人工放射性的另一种方法。但他的想法远远超出了人工放射性的范围。他回忆起曾经读过的《获得自由的世界》，想起了书中预言的原子能的释放、原子能及世界政府。他长期致力于找出一种元素或几种元素，它们在捕获一个中子后，会放出两个或两个以上的中子来，从而引发链式反应。链式反应是西拉德首次提出来的。所谓链式反应，指的是用一个中子轰击原子核时，不仅使这个核分裂，而且还放出2～3颗轰击其他核的“中子炮弹”，再使2～3个核分裂，放出4～9个中子，这些中子又引发别的核分裂……这样不断的持续下去产生的中子越来越多，被分裂的铀核也越来越多，因此在极短的时间内（1%秒）就有大量的核发生裂变，并释放出惊人的能量。
西拉德深入研究分析后发现，最合理的办法是系统地审查全部元素，但非常可惜他没有这个条件。没有资金，没有可以帮助他的助手，也没有做这种实验的实验室。因此，西拉德失去了用中子轰击来系统地探索全部元素，从而取得惊人发现的机会。只好将这个良好的机会让给了意大利的费米。
费米，E.（Enrico Fermi 1901～1954年）美籍意大利物理学家。1901年9月29日出生于罗马。1918年进入比萨大学，1922年获得博士学位。继而去德国哥廷根大学随玻尔工作，后又去荷兰莱顿大学随厄任费斯脱工作。1924年回到意大利，在罗马大学任教，1925年到佛罗伦萨大学任讲师。1927年回罗马在帕尼斯佩纳大道的物理研究所工作，并在罗马大学担任第一任理论物理讲座。1938年意大利颁布了法西斯的种族歧视法，由于费米的妻子是犹太血统，他于1938年11月利用去瑞典接受诺贝尔奖的机会，携带家眷离开意大利去美国，先在纽约哥伦比亚大学后在芝加哥费米大学任教。费米于1929年被选为意大利皇家学会会员，1950年被选为英国皇家学会国外会员。为了纪念他所做出的贡献，原子序数为100的元素以他的姓氏命名为镄（ferium）。美国原子能委员会设立了费米奖金，1954年首次奖金授予他本人。20世纪以来，物理学研究领域的广度和深度都发展得很快；很少有人能在几个领域都做出重要的贡献。可是费米对理论物理和实验物理都做出了重要的贡献，有些还是开创性的成就，这在20世纪是罕见的。1954年11月29日费米病逝于芝加哥，终年53岁。