核武器
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現時科学界已知核子武器的重要威力來源—核連鎖反應—是在地表自然存在的，奥克洛是目前世界上唯一已知的曾經自然发生自持的核連鎖反應的地方，共有16处。从大约20亿年以前开始反应，断断续续反应几十万年，在此期间平均输出功率为100千瓦。
核武器的發明建基於二十世紀初科學界對原子的研究成果，認識這段歷史是了解核武器原理的第一步。在1896年，法國物理學家亨利·貝克勒在研究鈾和鉀的雙硫酸鹽結晶具有類似磷光發散的現象時，意外發現了鈾的天然放射性，被認為是現代原子物理學的開端，世界各地的學者開始更為關注對原子結構的研究。
1897年，英国物理学家约瑟夫·汤姆孙表明阴极射线應該是由一種未知的带负电粒子组成，他计算出這種粒子必须比原子小得多，並且有非常大的质荷比，這種未知的带负电粒子現在被称为「电子」。汤姆孙在1913年也发现了稳定元素同位素的第一个证据，这是他在探索德國物理學家歐根·戈爾德斯坦在1886年發現的陽極射線的過程中的成果之一。他与另一位英国物理学家弗朗西斯·阿斯頓一起确定带正电粒子的性质的实验是质谱法的第一次使用，并导致了质谱仪的發展。1898年，蘇格蘭物理學家詹姆斯·杜瓦用再生冷卻法（英语：）及他所發明的真空保溫瓶，首次製成液氫。翌年，他又製成固體氫。
约瑟夫·汤姆孙發現帶負電的電子，這暗示中性原子內也應該有帶正電荷的粒子，提出原子應該是一個帶正電且電荷均勻分布的圓球，而電子則像梅子分散在布丁上，並在1903年提出「梅子布丁模型」。日本物理学家長岡半太郎反對湯姆生的模型，並指出相反電荷間是無法穿透的。他提出的模型則是帶正電子的核心在原子中間，周圍環繞著若干電子。於是，長岡半太郎在同年獨立提出原子的準行星模型，稱為「半太郎土星模型」。長岡半太郎建議電子的軌道就像土星環，這是從蘇格蘭學者詹姆斯·馬克士威的土星環穩定理論獲得的靈感。他的模型是基於跟土星環穩定性的類似解釋（土星環能穩定存在是因為土星質量極大），並預測一個質量極大的原子核和受到電磁力束縛的電子環繞着原子核。紐西蘭物理学家歐尼斯特·拉塞福在1911年一篇論述自己提出的「拉塞福模型」的論文裏，提到了長岡半太郎的半太郎模型（英语：）。拉塞福在1908年至1909年間，在研究α粒子穿過金箔產生散射的過程中發現了α粒子的大角度散射現象，從而證明原子的中心含有直徑約10費米的質量電荷中心。至此，長岡半太郎的這兩個預測都成功被欧内斯特·卢瑟福的實驗確認。然而根據古典力學原理，這樣的原子會因為電子發射電磁波而不穩定。而且，所發射出來的電磁波波譜不符合所觀測到的原子光譜。不論是「半太郎模型」還是「拉塞福模型」也沒有給予電子的環繞運動任何結構。這些問題後來被丹麦物理学家尼尔斯·玻尔於1913年提出的「玻尔模型」所解決，他首次引入量子化的概念來研究原子內電子的運動，對於計算氫原子光譜的芮得柏公式給出理論解釋。在波耳模型中，位於特殊軌道的電子具有取決於軌道半徑才擁有特定的能量，這個能量值後來被稱作能級。半太郎土星模型亦預言了質子的存在，但歐尼斯特·拉塞福在1917年至1925年間以多項粒子撞擊實驗，証明氫原子核存在於其他更重的原子核內，質子才被主流認為確實存在。
1919年，英國科學家弗朗西斯·阿斯頓製成第一台質譜儀。阿斯頓用這台裝置發現了多種元素同位素，研究了53個非放射性元素，發現了天然存在的287種核素中的212種，第一次證明原子質量虧損。同年，紐西蘭物理学家歐內斯特·盧瑟福通過用α粒子轟擊氮核，使之放出質子的方式，首次用人工方式實現了核嬗變反應。這種利用射線轟擊原子核來引起核反應的方法逐漸成為原子物理研究的主要手段。英國科學家弗朗西斯·阿斯顿和弗雷德里克·林德曼于同年提出利用离心机来分离同位素。
1920年，英国天文学家亞瑟·愛丁頓提出氫氦聚變可能是恆星能量的主要來源，揭示了核聚變的潛力。1923年，美國物理學家阿瑟·康普顿觀察到X射線或伽瑪射線的光子跟物質交互作用，因失去能量而導致波長變長的現象，即「康普頓效應」，後來的核电磁脉冲弹應用了這一原理。1928年，日本物理學家仁科芳雄在與瑞典物理學家奧斯卡·克萊因共同發表康普頓散射研究論文，並推導出關於X射線的康普頓散射的「克萊茵－仁科方程式」。
1929年，美國物理學家欧内斯特·劳伦斯與李明斯頓發展出迴旋加速器，將質子分别經過一連串相對低的電壓加速。第一部迴旋加速器建於1930年，稍後的改良則於1934年完成。世界第二部迴旋加速器則由日本物理學家仁科芳雄於1936年在理化學研究所制成。1932年，英國物理學家約翰·考克饒夫與愛爾蘭物理學家欧内斯特·沃尔顿製造出原子擊破器，利用七十萬伏單一的高電壓對質子加速，然後再拿它們轟擊鋰靶，分離出氦。沃尔顿的這個實驗證明了早期欧内斯特·卢瑟福所提出的「卢瑟福模型」，後來的「玻爾模型」對原子結構的描述則更為細緻。
1931年12月，美國科學家哈羅德·尤里的研究小組發現氘，並在1932年發現重水，即含有氘的水。1932年，在盧瑟福的核嬗變實驗基礎上，澳大利亚核物理学家馬克·奧利芬特完成了氫同位素的實驗室聚變。在1934年，馬克·奧利芬特發明利用電磁分離法從天然鈾中提煉鈾-235，這也是美國物理学家阿尔弗雷德·尼尔（英语：）採用的提煉程序。歐内斯特·盧瑟福、马克·奥利芬特和保羅·哈特克（英语：）則在同年首次製備出氚。1936年，傑西·韋克菲爾德·比姆斯（Jesse Wakefield Beams）和F. B. Haynes使用弗朗西斯·阿斯顿的离心机分离法成功分离了氯的同位素。
1938年12月，德國化學家弗里茨·施特拉斯曼和奥托·哈恩认证了中子轰击铀核产生的钡。1939年，奥地利-瑞典原子物理学家莉泽·迈特纳与她的外甥奥托·弗里施将施特拉斯曼發現的这一未知现象归结为铀核发生了核裂变，并在该年1月13日通过实验验证了这一点。苏联科学院化学物理研究所（英语：）的尤里·波里索维奇·哈里顿（俄语：）和雅可夫·鲍里索维奇·泽尔多维奇对产生链式核裂变的条件进行了深入研究，1939年10月完成了《铀的主要同位素的链式裂变研究》与《论慢中子作用下铀的链式裂变反应》，发表在苏联《实验物理和理论物理》杂志上，系统阐明了铀-238只能用重水做减速剂才能链式裂变；铀-235在浓缩含量大于0.7%以上可以用轻水做减速剂发生链式反应。1940年3月，二人完成第三篇论文《铀核链式裂变的动力学问题研究》，发表在《实验物理和理论物理》杂志1940年第5期，阐明了核反应堆设计中起决定性作用的物理过程、慢中子与快中子的反应截面，缓发中子对超临界的影响、核能制造炸弹获取能量的可能性，理论计算得出了铀-235在快中子照射下的临界质量是10kg。1939年，苏联科学院列宁格勒物理技术研究所核研究室年轻的核物理学家格奥尔基·尼古拉耶维奇·弗廖罗夫与鲁西诺夫实验测量了每个铀核裂变时释放的次级中子数为3±1个。
1940年3月，英国物理学家奥托·弗里施、魯道夫·佩爾斯撰写了弗里施-佩尔斯备忘录，计算出原子弹的爆炸可能只需要1英磅（0.45）的浓缩铀。该备忘录先是到了澳大利亚物理学家马克·奥利芬特手中，后者将其转交给了英国化学家亨利·蒂泽德。丹麦物理学家尼尔斯·玻尔根据他的原子核液滴模型从理论角度分析认为，由慢中子导致裂变的物質應該是铀-235而不是数量更丰富的铀-238，慢中子可引发鈾-235的核裂变。1940年4月，为验证玻尔的说法，阿尔弗雷德·尼尔（英语：）用质谱仪制造出微量的浓缩铀-235。及後，美国物理学家约翰·邓宁的团队，包括阿里斯蒂德·格罗斯（Aristid von Grosse）、尤金·布斯（Eugene T. Booth），证实了玻尔的理论分析。美國核物理學家利奥·西拉德和沃尔特·津恩（Walter Zinn）很快又证实每一次核裂变都释放一个中子。至此，几乎可以肯定核链式反应是可以发生的，原子弹的开发具有理论可行性。此外，馬克·奧利芬特一直在嘗試説服歐內斯特·勞倫斯將他的37英寸回旋加速器改裝成一個巨大的質譜儀，以用來分離同位素，在1941年11月24日，勞倫斯的37英寸回旋加速器被拆除。它的磁鐵被用於建首個電磁型同位素分離器，這種儀器後來被用於橡樹嶺的Y-12工廠的鈾濃縮。美國物理學家恩里科·費米最先發現超臨界組合。他的發現開展了受控制的連鎖反應的研究，後來發展成核子反應爐。
1940年5月弗廖罗夫与康斯坦丁·彼得扎克（英语：）为屏蔽宇宙射线影响在莫斯科迪纳摩地铁站的位于地下60米深井下进行不同能量中子源作用下铀核裂变释放中子流量的实验时，发现了自發裂變现象，发表在美国《物理评论》。
自1940年開始，美國化學家格倫·西奧多·西博格與埃德温·麦克米伦等人开始制备超铀元素。埃德溫·麥克米倫和菲力普·艾貝爾森研究團隊发现了錼（93），他們用回旋加速器以低速中子撞擊鈾靶，生成了錼239。錼是首個被發現，也是首個人工合成的錒系超鈾元素。1941年2月25日，格倫·西奧多·西博格与阿瑟·华尔发现了钚（94），钚-239和鈾-235同樣是有能力維持核鏈式反應的可裂变物质，但相較鈾-235而言更容易量產，因此也更具實戰價值。从1940年到1958年，他们一共发现9个新元素，包括原子序数94到102。包括钚（94）、镅（95）、锔（96）、锫（97）、锎（98）、锿（99）、镄（100）、钔（101）和锘（102）。1944年，西博格提出锕系理论．预言了这些重元素的化学性质和在周期表中的位置。这个原理指出，锕和比它重的14个连续不断的元素在周期表中属于同一个系列，现称锕系元素。西博格还发现了易裂变的同位素：钚239和铀233等。