La matière est constituée d’atomes. En 1912, le physicien anglais Ernest Rutherford (qui avait montré que l’atome avait un noyau), et le physicien danois Niels Bohr mettent au point un modèle dans lequel l’atome est constitué d’un noyau de charge positive entouré d’un cortège d’électrons. En 1913, Rutherford découvre le proton et en 1932, le physicien anglais Chadwick le neutron.
En 1938, Hahn et Strassmann découvrent la fission spontanée et le physicien français Frédéric Joliot-Curie montre en 1939, que ce phénomène de cassure des noyaux d’uranium s’accompagne d’un intense dégagement de chaleur. La découverte de la réaction en chaîne permettra l’exploitation de l’énergie nucléaire.
Pendant la guerre de 1939-1945, les études sur la fission se sont poursuivies aux États-Unis, avec la participation de physiciens émigrés. Le projet Manhattan est lancé, avec pour objectif de doter ce pays d’une arme nucléaire (qui a été utilisée à Hiroshima et à Nagasaki en 1945).
Dès la fin de la guerre, les recherches sur l’énergie dégagée par la réaction de fission nucléaire sont poursuivies dans le but d’une utilisation civile. En France, en 1945, le CEA (Commissariat à l’énergie atomique) est créé sous l’impulsion du général de Gaulle. Cet organisme public de recherche est chargé de donner à la France la maîtrise de l’atome dans les secteurs de la recherche, de la santé, de l’énergie, de l’industrie, de la sûreté et de la défense.
Parmi les atomes présents dans la nature, l’atome d’Uranium 235 possède une propriété particulière : son noyau peut se briser en deux fragments sous l’impact d’un neutron. Lorsqu’un neutron percute le noyau de certains isotopes lourds, il existe une probabilité que le noyau percuté se scinde en deux noyaux plus légers. Cette réaction, qui porte le nom de fission nucléaire, se traduit par un dégagement d’énergie très important.
La fusion nucléaire est une réaction où deux noyaux atomiques s’assemblent pour former un noyau plus lourd (par exemple un