Bizlerin anladığı anlamda radyoaktivitenin ilk bulunuşu 1895 yılında olmuştur. Alman fizikçi, Profesör Wilhelm Roentgen vakumdan elektrik boşalmasının etkilerini araştırırken bilmediği bir ışını keşfetmiş ve buna matematikte bilinmeyen anlamında kullanılan X-ışını adını vermiştir.

X-ışınlarının keşfinden sonra bir çok bilim adamı bu ilginç ışınların sırrını çözmek için deneylere başlamışlar ve sonunda bunun görülebilen ışığın yapısında, kısa dalga boylu bir radyasyon olduğuna göstermişledir. X ışınlarını araştıran Fransız fizikçisi Henri Becquerel uranyum tuzunun da benzer ışınımlar yaptığını gözlemlemiştir. Bu olaydan esinlenen fizik doktora öğrencisi Maric Sklodowska Curie ile eşi Piere Curie, polonyum ve radyumu keşfetmişlerdir. Daha sonra Curie’ler yeni bir olgu olan radyoaktivite üzerine araştırmalarını yoğunlaştırmışlar ve bu olayın ağır radyoaktif elementlerin doğal bir bozunumu sonucu olduğuna karar vermişlerdir. 1903 yılında Curie’ler ile Becquerel bu çalışmalarından dolayı Nobel ödülünü kazanmışlardır. Bu olayın ardından bir çok bilim adamı yeni buluşlar yapmak ve Nobel ödülünü almak için çalışmalara başlamıştır. Bu bilim adamlarından bazıları, İngiltere’den Rutherford ve Soddy, Almanya’dan Hahn ve Meitner, İtalya’dan Fermi, Danimarka’dan Bohr’dur. 1919 yılında, Rutherford havadaki azotu alfa ışınları ile bombardıman ederek oksijene dönüştürmeyi başarmıştır. 27 Şubat 1932'de ise, James Chadwick alfa parçacıklarıyla berilyumu bombalayarak yüksüz bir parçacık olan nötronu keşfetti.

Frederic Joliot ve Irene Cutie çiftinin kararlı bir element olan alüminyumun alfa parçacıkları ile bombardımanı sonucu yapay olarak radyoaktif olabileceğini göstermelerinin ardından, fizikçiler yeni radyoizotoplar bulmak için araştırmalara başladılar. Bu gelişmeler olurken, bir çok fizikçi yanılgıya düşmüş ve deneysel olarak fisyon reaksiyonunun gözlenmesine karşın böyle bir reaksiyonun olabileceğini hayal bile edememişlerdir. Örneğin, Rutherford 1933 yılında yaptığı bir konuşmada atomun parçalanarak enerji elde edileceğini çok basit bir düşünce ve hayal olduğunu söylemekteydi. Bu olaydan sadece altı yıl sonra, 6 Ocak 1939 yılında Berlin’de Otto Hann ve Eritz Strassmann’ın makalesi Naturwissenschaften (Doğal bilimler) dergisinde yayınlanır. Ancak, atomun yapısını anlamamızda büyük katkıları olan Lord Rutherford bu olayı görecek kadar yaşayamamıştır. Daha sonra bu buluşu destekleyen deneyler Amerika’da da yapılmıştır. Uranyum atomu nötron bombardımanı altında yaklaşık yarı ağırlıkta iki atoma bölünebilmektedir ve bir fisyon reaksiyonu sonucu yaklaşık 150 milyon elektron volt enerji açığa çıkmaktadır.

Bunun anlamı ise, 1 kg U 235 izotopunun parçalanmasından çıkan enerjinin âncak 3 milyon ton kömür yakılarak elde edilebileceğidir. Bu haberin Nazi Almanya’sı ve Faşist İtalya’da duyularak fisyon reaksiyonu sonucu açığa çıkan enerjinin bomba yapımında kullanılabileceği endişesi, Nazi Almanya’sından kaçan bir çok göçmen bilim adamının bu olayın üzerine düşmesine sebep olmuştur.Eylü1 1939 tarihinde Hitler Almanya’sının Polonya’yı işgali macar göçmen bilim adamlarından Leo Szilard ve Eugene Wigner’in uranyumun öneminin, Başkan Roosevelt’in dikkatine sunulması gereği konusunda girişimde bulunmalarına neden olmuş ve Albert Einstein’ın Başkan Roosevelt’e konunun önemini belirten bir mektup yazmasını sağlamışlardır. Einstein, Roosevelt’e yazdığı mektupta, E. Fermi ve L. Szilard’ın çalışmaları hakkında bilgi vererek uranyumun zincirleme reaksiyonu sonucu açığa çok fazla miktarda enerji ve radyum benzeri elementlerin çıkacağını belirtmiştir. Bu olgunun bomba yapımında kullanılması halinde çok güçlü olacağı vurgulamıştır. Aynı zamanda Almanların da bu konuyla ilgili çalışmaları olduğu hakkında uyarıda. bulunmuştur. Bu olaylardan sonra, Başkan Roosevelt’in girişimleri sonucu uranyum üzerine olan araştırmalara hız verilmiştir. Bu sırada Amerikan Deniz Kuvvetleri de uranyum maddesinin denizaltılarda kullanılabileceğini ve Fisyon reaksiyonunun oksijene gereksinimi olmamasından dolayı, denizaltıların su yüzeyine çıkmadan kıtalararası yolculuk yapabileceğini düşünmekteydiler. 1940'lı yıllarda Deniz Kuvvetleri bu konuda çalışmaları başlatmış ve bunun mümkün olacağı saptanmıştı. Savaş boyunca Deniz Kuvvetleri bu konudaki araştırmaları desteklenmiş. ama tüm kaynaklar öncelikle atom bombasının geliştirilmesi ve yapımı için yönlendirilmiştir. Bu çalışmalar sonucu, California Llniversitesinden E. M. McMillan atom numarası 93 olan ve Uranüs’den sonraki gezegen Neptün’den adını alan , neptünyumu, daha sonrada neptünyumun bozunumu sonucu açığa çıkan 94 atom numaralı element olan ve Neptün gezegeninden sonra gelen Plüton’dan adını alan, plütonyumu bulmuşlardır. Bu elementte U 235 izotopu gibi fisyon reaksiyonu yapabilmektedir.

Bu gerçek, atom bombası yapımı konusundaki çalışmaları hızlandırarak, U 235 ve plütonyumun alternatif malzemeler olarak düşünülmesine neden olmuştur. Bu süreç ilerlerken, Alman bilim adamlarından Walter Bothe ve Peter Jensen 1941 yılında grafıt ile ilgili ölçümler yapmışlardır. Fakat, sonuç olarak grafıtin doğal uranyumla kullanılamayacağına karar vermişlerdir. Bu yanılgı Almanların, Amerika’da çalışmalarını sürdüren Fenni ve Szilard’ın aksine, ağır suyu seçmelerine sebep olacaktır. Fransa’da çalışmalarını sürdüren JoliotCurie ekibi de ağır su kullanarak zincirleme fisyon olayının gerçekleştirilmesi için çalışmalarını sürdürmekteydiler. Fransa’nın işgali sonucu, bu ekip elemanlarından Halban ve Kowarski İngiltere’ye, oradan da Kanada’ya gidecekler ve ilk ağır su ile zincirleme fisyon olayını 1945'de Kanada’da başaracaklardır.

2 Aralık 1942 yılında, Enrico Fermi ve grubu, Chicago Üniversitesinin spor sahasının altında bulunan squash sahasında 6 ton metal uranyum, 24 ton uranyum oksit ve nötronları yavaşlatmak için kullanılan 385 ton grafıtden oluşan Chicago Pile (Şikago Yığını) adı verilen yapıda, saat 09.45'den itibaren kadmiyum kontrol çubuklarını yavaş yavaş elle dışarı çekerek, saat 15.20'de kritik değere ulaşmışlar ve ilk kontrollü fisyon reaksiyonunu gerçekleştirmişlerdir. Bit kaç yıl süre ile bu tür zincirleme reaksiyonları yapan sistemlere, Chicago Pile’ın grafit bloklarının üst üste yığılması sonucu inşa edilmesi nedeni ile, Pile (yığın) ismi verilmiş ve bu isim daha sonra kimyasal endüstride kullanılan reaktör ile değiştirilmiştir.

Atom bombasının yapılabilmesi için, doğal uranyumun izotoplarına ayrıştırılarak U 235 izotopunun oranının % 90'lara çıkartılması gerekmekteydi. Fakat, kimyasal olarak bu işlem yapılamadığından ve difüzyon yönteminin çok yavaş sonuç vermesi nedeniyle reaktörde yakıt içinde bulunan U 238 izotopu nötronla bombardıman edilerek plütonyum elde etmek ve açığa,çıkan plütonyumu kimyasal yollarla ayrıştırmak amaçlanmıştır. Bu nedenle inşa edilen ilk pilot reaktör X-10, 1943 yılında çalışmaya başlamış ve ilk kimyasal ayrıştırma işlemi 1944 yılında gerçekleştirilmiştir. hk atom bombası denemesi ise 16 Temmuz 1945 yılında New Mexico’da başarıya ulaşmıştır.