El físico italiano Enrico Fermi (1901-1954) planteó en 1934 que sería factible producir elementos transuránicos por medio del bombardeo de uranio con neutrones. Al realizar tales experimentos, se descubrió que el producto emitía radiación beta (b). La pérdida de una partícula b corresponde a un aumento del número atómico en una unidad, lo que hizo que se creyera que el producto podía sufrir una sucesión de emisiones b y se generarían núcleos con números atómicos tan elevados como 96.

Para buscar nuevos elementos químicos con número atómico superior a 92, grupos de investigadores se dedicaron a estudiar los productos obtenidos por bombardeo de uranio con neutrones. En 1938 en Alemania,   los químicos Otto Hahn (1879-1968) y Fritz Wilhelm Strassman (1902- ) aislaron un elemento químico que creyeron que era el radio (número atómico 88), pero después comprobaron que se trataba del elemento químico con número atómico 56, el bario. Por análisis químico descubrieron que los productos del bombardeo del uranio con neutrones no corresponden a elementos químicos de Z > 93. Consistía de radioisótopos de elementos químicos más livianos como el estroncio y el bario. La interpretación que se desarrolló entonces fue que el bombardeo del uranio con neutrones provocaba la fisión de algunos núclidos (suma del número de protones y neutrones contenidos en un núcleo) en dos fragmentos nucleares más pequeños. Esto puso de manifiesto que el uranio al ser bombardeado con neutrones se fragmentaba, lo que parecía increíble para lo que se conocía del átomo, pero los nuevos procesos de desintegración fueron confirmados por medio de experimentos por científicos de casi todo el mundo.

     En 1939 se descubrió una reacción nuclear que liberaba mucha más energía por átomo que la radiactividad, y que tenía un potencial para ser usada tanto para producir explosiones como para generar energía. Se trataba del rompimiento del átomo y al proceso se le llama fisión nuclear.

    Tanto en la fisión nuclear como en la fusión nuclear se produce muchísima más energía por unidad de masa que en cualquier otra reacción química.

    En la fisión nuclear interviene el delicado equilibrio entre la atracción que ejercen las interacciones nucleares  fuertes y la repulsión de las fuerzas eléctricas que actúan dentro del núcleo del átomo. En todos los núcleos de los átomos estables conocidos predominan las interacciones nucleares fuertes (el núcleo tiende a ser esférico), pero cuando las fuerzas eléctricas son ligeramente mayores se produce una deformación crítica (alargamiento del núcleo) y si las fuerzas eléctricas superan a las interacciones nucleares fuertes del punto crítico se rompe el núcleo. Este es el proceso de fisión nuclear.

    La absorción de un neutrón por el núcleo de uranio le suministra la energía suficiente para producir el proceso de fisión nuclear produciendo muchas combinaciones distintas de núcleos más pequeños. Un ejemplo típico es:

₀¹n   +   ₉₂²³⁵U   ---->  ₃₆⁹¹Kr  +  ₅₆¹⁴²Ba  +  3 (₀¹n)

     Se puede observar que la fisión nuclear del uranio la inicia un solo neutrón y el proceso produce 3 neutrones. En casi todas las reacciones de fisión nuclear se producen de dos a tres neutrones, los que a su vez pueden causar la fisión de dos o tres núcleos más, con lo que se liberan de 4 a 9 neutrones adicionales, y así sucesivamente. Esto constituye una reacción en cadena.

     ¿Por qué no se producen las reacciones en cadena en los depósitos naturales de minerales de uranio?. Esto ocurriría si todos los átomos de uranio se fusionaran, pero los átomos de uranio que se fisionan con facilidad son los del isótopo U-235 y éste sólo constituye el 0.7 % del uranio metálico puro. El isótopo predominante del uranio es el U-238 y al absorber los neutrones producidos en la fisión nuclear no se fisiona, lo que amortigua la reacción en cadena que llegue a iniciarse.

     Como el neutrón tiene que recorrer una distancia promedio a través del material de la muestra para que sea absorbido por un átomo de U-235, entonces si la muestra es pequeña es más probable que escape el neutrón a que sea absorbido por un átomo de U-235 para que ocurra la fisión nuclear.

     La masa crítica es la cantidad de muestra para la que cada fisión nuclear individual produce, en promedio, una fisión individual adicional. La masa subcrítica es aquella cantidad en la que la reacción en cadena se extingue. La masa supercrítica es aquella cantidad en la que la reacción en cadena crece hasta generar una explosión. Si se logra juntar la masa supercrítica se tiene una bomba de fisión nuclear. La dificultad para construir una bomba de fisión nuclear radica en la separación del U-235 (0.7 %) del mineral en el que el U-238 es el más abundante.

     Los isótopos de uranio-235 y de plutonio-239 se pueden fragmentar por neutrones de baja energía. Se estima que el 0.7 % de uranio natural es del isótopo de uranio-235. El isótopo de uranio más abundante es el de uranio-238 pero no produce reacción de fisión nuclear.

     La energía que libera la fisión nuclear de un átomo de U-235 es de alrededor de 7 millones de veces la energía que libera la explosión de una molécula de trinitrotolueno (TNT). Esta energía se manifiesta principalmente como energía cinética de los fragmentos de la fisión y otra parte la reciben los neutrones expulsados y el resto es radiación gamma.

Con el inicio de la Segunda Guerra Mundial, la fisión nuclear les interesó por la enorme cantidad de energía que se libera en este proceso. El físico norteamericano Julius Robert Oppenheimer (1904-1967) dirigió a un grupo de científicos en Los Álamos, Nuevo México hasta conseguir la construcción de la bomba de fisión nuclear o bomba atómica. Hicieron explotar la primera bomba atómica en el desierto de Nuevo México el 16 de julio de 1945. El 6 de agosto de 1945 la usaron como arma de guerra al hacer explotar una bomba en Hiroshima, Japón (mataron a 70000 personas ) y el 9 de agosto otra sobre Nagasaki, Japón (mataron a 80000 personas).

     Durante la Segunda Guerra Mundial se estudiaron diferentes procesos de separación de los isótopos radiactivos y  la técnica que más éxito tuvo fue la de efusión gaseosa, utilizando el hexafluoruro de uranio, UF₆, que es volátil (tiene un punto de ebullición normal de 56 ⁰C)

     Varios isótopos de los elementos químicos pesados se fisionan por bombardeo con neutrones de alta energía. Los 2 isótopos que más se han estudiado son el uranio-235 y el plutonio-239. La fisión nuclear del uranio-235 se divide en dos fragmentos diferentes y libera neutrones y partículas. El proceso de fisión nuclear se complica por el hecho de que el ₉₂²³⁵U se puede dividir de muchas formas diferentes, se han identificado más de 200 isótopos de 35 elementos químicos diferentes. Por ejemplo, el ₉₂²³⁵U se divide de 3 maneras: 1) en rubidio (número atómico 37) y cesio (número atómico 55);  2) en bromo (número atómico 35) y lantano (número atómico 57) y 3) en zinc (número atómico 30) y samario (número atómico 62).

 
 1)  ₀¹n   +  ₉₂²³⁵U   ---->   ₃₇⁹⁰Rb   +   ₅₅¹⁴⁴Cs    +   2  ( ₀¹n).

 2)   ₀¹n   +  ₉₂²³⁵U   ---->   ₃₅⁸⁷Br    +   ₅₇¹⁴⁶La     +   3  ( ₀¹n ).

 3)   ₀¹n   +  ₉₂²³⁵U   ---->   ₃₀⁷²Zn   +   ₆₂¹⁶⁰Sm    +   4  ( ₀¹n).

     Como se puede observar, en la fisión nuclear se producen de 2 a 4 neutrones por cada átomo que se desintegra. Una vez que se dividen unos pocos átomos de uranio-235, los neutrones producidos pueden generar la fisión de muchos más átomos de uranio-235, lo que posibilita una reacción en cadena. Esto es lo que sucede en una bomba atómica. La energía liberada en las reacciones sucesivas de fisión aumenta progresivamente, en unos pocos segundos, lo que produce una tremenda explosión.

     Para que la fisión nuclear produzca la reacción en cadena se requiere que, la muestra sea lo suficientemente grande para que los neutrones que se producen sean capturados internamente por la propia muestra, llamada masa crítica. Si la muestra es muy pequeña, la mayor parte de los neutrones escapan y se rompe la cadena. La masa crítica del uranio-235 es de 1 a 10 kg. En la bomba de Hiroshima se consiguió la masa crítica usando un explosivo convencional para encender una pieza uranio-235 dentro de otra.

     Los productos inmediatos del proceso de fisión nuclear contienen demasiados neutrones para ser estables (depende del número de neutrones y protones). La desintegración del rubidio-90 requiere de tres etapas para alcanzar un núcleo estable, se desintegra en estroncio, itrio y zirconio, de acuerdo con las ecuaciones nucleares:

 
1)    ₃₇⁹⁰Rb    ---->   ₃₈⁹⁰Sr   +   _-1⁰e         t_1/2  = 2.8 minutos

 2)    ₃₈⁹⁰Sr    ---->   ₃₉⁹⁰Y   +   _-1⁰e           t_1/2  =  29 años

 3)    ₃₉⁹⁰Y    ---->   ₄₀⁹⁰Zr  +   _-1⁰e          t_1/2  =  64 horas

     La radiación ocasional asociada con la radiación libre surge de la formación de isótopos radiactivos. Uno de los más peligrosos es el estroncio-90, que se incorpora a los huesos de los seres vivos como carbonato de estroncio (SrCO₃).
 
Energía de la fisión nuclear.

     Desde 1959 se ha utilizado la energía liberada por núcleos atómicos para la producción de energía eléctrica y se han generado muchas opiniones encontradas con respecto a la energía nuclear, pero no obstante hay muchas aplicaciones no controversiales de la tecnología nuclear.

     La energía liberada en una fisión nuclear es directamente proporcional a la disminución de masa que se produce. Se producen alrededor de 80 000 000 kJ de energía por cada gramos de uranio-235 que se desintegra. Equivale a unas 40 veces más grande que la energía producida en una reacción nuclear simple. La fisión nuclear de 1 g de uranio-235 produce la misma cantidad de energía  que la que produciría la combustión de 2700 kg. de carbón o la que produciría la explosión de 30 000 kg de trinitrotolueno (TNT).