电力是清洁能源，发电所消耗的能源原料主要是煤炭、石油和天然气，它们占了发电所消耗的能源的85％。据统计，已探明的油气储量只够人类再消费40余年，而煤炭也只够消费300年左右。此外，煤炭和石油燃烧产生的污染问题也是令人担忧的。更重要的是，煤炭和石油都是重要的化工原料，将它们烧掉实在是很可惜的。为了解决能源短缺的问题，原子核能的开发具有重要意义，并且原子核能也有极好的应用前景。
原子结构的认识历程
19世纪90年代，人们对物质结构的认识已突破原子的藩篱，开始钻入原子的内部，去看个究竟。
在19世纪下半叶，人们发现在真空管的阴极发出一种射线，所以就称它为阴极射线。经过几十年的研究，人们对阴极射线的认识大大加深了，尽管对这种射线的认识尚不能统一。1895年，刚当上维尔茨堡大学校长的德国科学家伦琴（1845—1923年）对阴极射线的穿透能力进行研究。他注意到阴极射线管内产生的绿色荧光。他猜想是阴极射线撞击管内残留的气体引起的，或撞击玻璃引起的。为此有必要深入研究。
伦琴
为了防止管外射线对阴极射线的影响，伦琴用黑纸将阴极射线管包起来。晚上，伦琴依然做实验，他偶然地发现阴极射线管下方的荧光屏上发出了荧光。这是怎么回事呢？阴极射线是不能穿过玻璃管壁的。他将手伸到荧光屏前，这确实吓了他一大跳，在荧光屏上隐隐现出了自己手的骨骼影子。
接着，伦琴将书册、铝片、木板、砝码盒放在阴极射线管与屏之间，这些东西都成了半透明的东西。
由于阴极射线在空气中只能行进2.5厘米，可是将线平放在离射线管2米远时，这些现象仍可以发生。伦琴知道这是一种新发现的重要现象。他决定在弄清这现象之前不向外界透露。一连几个星期他都泡在实验室里，人们“怀疑”，伦琴是不是“疯”了？妻子询问时，伦琴也只是说，“我正在做一些人们说‘伦琴疯了’的事情。”
伦琴还利用这种新射线进行拍照。这时，伦琴的夫人到实验室来，伦琴让她把手放在平台上，而后接通阴极射线管，拍下了她的手骨。照片很清楚，连手指上戴的戒指都清晰可见。妻子问伦琴，是什么射线具有如此大的魔力？伦琴回答是“无名射线”。妻子随口说道：“又是一个X！”伦琴觉得这是一个很好的名称，是的！“那就叫它X射线吧！”
1896年1月2日夜，维也纳《新自由报》即将付印时，编辑部收到了一份急件。拆开一看，里面是一只手骸骨的照片，只见骸骨的无名指上还有一只订婚戒指。次日，报上登载了独家新闻“物理学教授伦琴的新发现”，并附有那张照片。读者看了这条新闻，无不为之惊叹。
X射线的发现使伦琴获得1901年度诺贝尔物理奖，然而皇室要授予他贵族的头衔时，伦琴却拒绝了，并且放弃了为X射线申请专利，无私地将它奉献给全人类。
X射线的发现大大刺激了人们探寻未知世界的决心。同时这一发现还为人们打开原子世界的大门找到了一把钥匙。
X射线发现之后，许多科学家都投身到X射线的研究。仅1896年，全世界出版关于X射线的书就达50种，发表科学论文达1000多篇。在这些研究中，法国科学家又作出了新的发现。
1896年的元旦刚过，著名法国科学家彭加勒（1854—1912年）收到伦琴寄来有关X射线发现的论文和手骨照片。彭加勒在法国科学院介绍了伦琴的新发现，同时，还提出了一个问题：是否发荧光的物质在阳光作用下发出X射线呢？这当然引起了A.H.贝克勒尔（1852—1908年）的注意，他向彭加勒问道，X射线是从管子的哪一部分发出的？彭加勒答道：似乎是从管子中阴极对面有荧光的地方发出的。贝克勒尔认为，X射线应该是从荧光物质发出的，为此他马上着手研究荧光物质。
研究荧光物质是贝克勒尔家族的强项。贝克勒尔的祖父A.C.贝克勒尔（1798—1878年）和父亲A.E.贝克勒尔（1820—1891年）都是法国科学院院士，他们对荧光现象进行了长期的研究，其中A.E.贝克勒尔的研究最为突出。A.H.贝克勒尔对荧光也很有研究。
开始，对荧光物质发射X射线的研究并不顺利。当贝克勒尔有所动摇时，他看到彭加勒发表的一篇有关X射线的文章。彭加勒认为：“是否所有荧光足够强的物质都既发出荧光又发射X射线，而与产生荧光的原因无关。”彭加勒的新看法再次激发了贝克勒尔的决心。
到2月下旬，贝克勒尔采用一种铀盐做实验。我们可能都有这样的经验，在荧光物质发光之前，通常要将荧光物质放在阳光下晒一晒，用灯光照一下也可以，贝克勒尔正是这样做的。他将铀盐与用黑纸包好的底片放在一起，再将它们拿到阳光下晒上几个小时。
当他冲洗底片，果然发现底片曝光了。贝克勒尔向法国科学院报告了这一结果。
为了重复实验结果，贝克勒尔要重作实验。不巧的是，几天的天气都不好，无法进行实验。这时他将铀核和用黑纸包好后的底片一同放入了抽屉。在科学院例会的前一天，贝克勒尔为实验作准备，他取出一张底片冲洗，看看底片的质量。冲洗之后，贝克勒尔原以为即便有曝光现象，底片上的影像也是很淡的。可是结果却大不一样，底片不但曝光了，而且铀盐的黑色影像非常明显。很清楚，使底片曝光的原因是由于铀盐发射一种神秘的射线造成的。人们为此命名为“贝克勒尔射线”。
铀盐辐射的新射线类似X射线。尽管贝克勒尔的新发现并未引起轰动效应，却引起了居里夫人（1867—1934年）的注意。她把这种性质命名为“放射性”。当时居里夫人开始作博士论文，她的丈夫皮埃尔·居里（1867—1906年）建议她选择放射性的题目。当然，这样的题目是有风险的，为此，皮埃尔·居里放下了手中的研究工作，与夫人一起在这片陌生的园地进行“拓荒”。此后，居里夫人发现钍也具有放射性，并将具有放射性质的铀和钍之类的元素称作“放射性元素”。
皮埃尔·居里
居里夫人
不久，居里夫人得到一批沥青。这种沥青是奥地利的一家公司提取铀之后渣滓，居里夫人发现沥青还具有放射性，并比铀和钍的放射性更强。居里夫妇分离出一种新元素，他们命名为钋，这是为了纪念居里夫人的祖国波兰。进一步的研究，他们发现沥青中还有新的元素。新元素与钋不同，原因是钋与铋的化学性质相近，而新元素与钡的化学性质相近。进而居里夫妇推断，沥青中含有新元素，他们命名为镭。
也许人们并不怀疑物理学家的测量，但受“眼见为实”的影响，像化学家那样分离出新的放射性元素也是必要的。虽然居里夫妇认为有必要为抱怀疑态度的人分离出新物质，但困难非常大。除了缺乏经费的支持，他们连一间像样的实验室都没有。
他们的实验室是一间破木棚，夫妇二人在屋里支起一口大锅，实验器具摆在破桌子上。他们不管严冬酷暑，不怕烟气熏呛，夜以继日地进行分离工作。抱着怀疑态度的人讥讽这对夫妇，他们准是疯了。
居里夫妇不管别人怎么看，他们以百折不挠的精神克服了一个又一个的困难，最终从几吨矿渣中分离出012克氯化镭，并且确定镭的原子量为225，测得镭的放射性比铀强10万倍以上。3年后，居里夫人又提炼出纯镭物质。他们发现镭能自发地释放能量，1小时可释放567焦耳，1千克镭释放的能量是1千克煤释放的能量的40万倍。这说明镭原子内部蕴藏着巨大的能量，而且镭是可以分割和变化的。新的发现为人们打开原子世界的又一扇大门，并且为原子攻坚战揭开了序幕。
“超铀元素”的插曲
居里夫妇发现镭的放射性之后不久，物理学家卢瑟福（1871—1937年）发现镭辐射出的射线可分为两类：α射线和β射线（后来别人又发现γ射线）。卢瑟福认为，放射性元素在辐射时会自然地变成另一种元素。这种革命性的理论对原子结构的认识具有重要的意义。
进一步的研究知道，α射线是一种高速的原子核粒子——氦粒子，β射线是一种高速的电子流，γ射线是光子流。它们常常作为原子核物理学家手中的“利器”，这也是分析微观粒子的重要工具。
随着对原子内部结构的认识不断加深，人们首先注意到放射性原子释放的能量。根据，放射性原子释放的能量守恒定律，能量不能凭空创造。贝克勒尔认为，在原子内部的某个地方有一种能源，人们尚不能认识它的真实面目。
为了对原子有更深入的认识，人们尝试着将原子击破。最早的尝试也是卢瑟福进行的。首次获得成功是在1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮核，使氮核转变为氧-17，并放出一个质子。卢瑟福发现，并非只有放射性原子内部存在某种能源，所有原子内部都蕴藏着巨大的能量。这种说法差不多是显而易见的。原子核的空间非常小，要将众多的核子紧紧地束缚在原子核内，这是需要极大的核力的。铀和钍放射性原子缓慢地将能量释放出来，这与一般的原子是有些不同的。
其实，关于原子内部的能量早就有人作了合理的猜测。1899年，美国科学家钱伯林（1843—1928年）估计，太阳释放出如此巨大的能量可能与物质的放射性有关。当然，这时人们对原子结构的认识还非常模糊，“原子内部”和“原子内部的能量”的说法几乎不具有什么实际意义。甚至卢瑟福在作完轰击氮核的实验之后，由于所消耗的能量远远大于原子核释放的能量，他认为，从原子核中获取能量只是一种幻想。
中子发现后，由于中子不带电，中子就成为一种很好的“子弹”。中子射入原子核不会像α粒子（带2个电子的电量，且为正电）那样产生排斥。中子与原子核的结合称作“中子俘获”现象。意大利物理学家费米（1901—1954年）最早进行了“中子俘获”的实验。值得指出的是，为了提高俘获中子的效率，中子跑得越慢，中子在原子核近旁的时间就越长，它也就越容易受到原子核的吸引而被俘获。所以，慢中子被俘获的可能更大。费米是最先发现慢中子的用处的。如何减小中子的速度呢？中子不带电，用电磁的办法是行不通的。但是人们发现，当中子碰到很大的原子核时，中子弹开时的速度几乎是不变的；当中子碰到比自己大不了多少的原子核时，原子核就会被中子撞得后退，并吸收了一部分中子的能量，中子弹开时的能量就会减小，速度会放慢。使中子速度变慢的原子核就被称作“减速剂”。空气中分子的能量取决于温度，中子速度减小到与室温相当的空气分子运动的速度差不多时，中子与室温下的空气分子能量也差不多，所以这样的中子就被称作“热中子”。
1934年，费米利用中子轰击铀核。铀是当时已知元素中原子序数最高的元素。费米的实验在于得到比铀的原子序数更高的元素，这种元素被称作“超铀元素”。
从理论上说，用中子轰击铀核，铀核俘获一个中子之后会发生β衰变。这就是说，中子释放一个带负电的电子而变成质子，进而使元素的原子序数增加1，即得到第93号元素。依法炮制，我们还可以得到第94号元素、第95号元素、……所以利用中子可以制造新元素。
费米和他的同事进行了用中子轰击铀核的实验，果然发现铀核俘获中子后释放出β射线。这是否就意味得到第93号元素呢？如果是，这就是一个重大的发现。意大利人迫不及待地将此公布了出来。
面对新的发现，有一位科学家非常冷静。这就是德国女化学家诺达克。她大胆地提出了不同的看法。一方面，她认为超铀元素的发现并没有充分的证据；另一方面，铀核俘获中子后，铀核很可能会破裂成碎片。诺达克的看法非常有价值，她首次提出了核分裂的看法。遗憾的是，人们并未认真对待诺达克的看法，甚至她本人也没有去作一作这个实验，看看实际上会不会产生“碎片”。相反，多数人推测，诺达克的看法就像是用一个小小的棒球撞击一座房子，它怎么能将房子击碎呢？！
不管怎样，费米的实验是非常重要的，并得到许多人的支持。
核裂变的发现
1938年，约里奥-居里（1900—1958年）和南斯拉夫的沙维切利用慢中子进行实验。在实验中，他们发现了一些新的现象。从实验产物中看，它的化学性质很像镧，镧的原子序数为57。这与超铀元素的说法是相矛盾的。他们在发表的文章中指出，实验的结果是超铀元素假说所不能解释的。应如何解释呢？约里奥—居里夫妇也是颇为踌躇的。
约里奥—居里夫妇的踌躇表现出科学家在探索未知领域的心态，是很正常的。不过他们的发现还是引起一些人的注意。
他们将研究结果发表之后，德国物理学家哈恩（1879—1968年）的助手施特拉斯曼（1902—？）看到了约里奥的文章，马上推荐给哈恩。由于哈恩同小居里有过激烈的争吵。他对施特拉斯曼的推荐并无兴趣。只是在施特拉斯曼的一再坚持下，哈恩衔着雪茄，勉强地听施特拉斯曼的讲述。这个消息深深地打动了哈恩，他大声说道：“这不可能，一定是他们搞错了！”不等雪茄抽完就朝实验室跑去。
连续几个星期的实验，他们多次重复了约里奥的实验，在检验核反应的生成物时，哈恩认真分析了它们，证实它们中有镧，也有钡。查元素周期表就可以看到，它们只有铀原子量的一半多。按照过去的经验，应产生与钡元素化学性质相似的镭，因为铀核释放2个α粒子就可生成镭。哈恩与斯特拉斯曼认真地分析了从生成物中分离出的物质，并试图找到镭，结果是徒劳无功。经过认真的分析，哈恩认为，所假设的放射性元素根本就不存在，也就是说，分离出的产物是钡，而不是镭。
实验的结果是不错的，可如何说明这样的结果呢？如何使人相信他们的分析呢？如果铀核分裂成大小差不多的两半，这倒是过去从未发现过的现象。发表这样的结果，特别是如何解释这样的结果，比起约里奥-居里夫妇，哈恩就更加踌躇了。
这时，哈恩想起了以前的伙伴迈特纳（1878—1968年）。本来迈特纳是在德国工作的，她是奥地利籍的犹太人。在反犹的法西斯政权统治下，她的处境并不好，后来德国吞并了奥地利，奥地利的国籍就不能保护她了。这样，迈特纳不得不离开德国，来到了瑞典的斯德哥尔摩。
迈特纳在得知哈恩的实验之时，圣诞节来临了。
这时，在哥本哈根工作的弗里施（1904—？）来瑞典看望姑姑迈特纳。对于哈恩的新实验，弗里施也像哈恩不相信约里奥-居里夫妇一样，他对哈恩的实验也有所怀疑。但迈特纳则不然，因为她知道哈恩的实验工作是很严谨的。