人們從貝克勒爾和居裏夫婦發現鐳的天然放射性以來，就知道放射性元素能夠釋放出具有能量的射線。但是放射性元素能釋放出能量的原因，其他元素能否放出能量，如何人工控製釋放能量，成為當時科學家急需解決的問題。
1902年，居裏夫婦在實驗中發現：新提煉出來的鐳不僅發出輻射，還能發出熱和光。據測量，每克鐳每小時大約可以放出140卡的熱，而光的亮度足以用來看書。居裏教授把手放在不可見的鐳射線中幾小時，結果手上就出現了潰瘍，像灼傷一樣。若不是親眼所見，居裏夫婦都不會相信有一種元素會不間斷的地發出光和熱，這些能量從哪裏來的呢？莫非在整個宇宙起作用的能量守恒定律，到了巴黎化學院這間矮小、破舊的板屋裏就失靈了？
1903年夏天，盧瑟福拜去拜訪居裏夫婦。在夜晚，居裏拿出一個部分塗了硫化鋅的玻璃管，裏麵裝有含著許多鐳的液體，黑暗中管子的光輝顯得燦爛奪目。盧瑟福看得著了迷，他在感歎造物主的偉大的同時，也不由自主地問自己：這能量從哪裏來呢？
盧瑟福回到麥吉爾大學後，立即和索迪研究放射性衰變所釋放的能量。經測量，1克鐳在蛻變時放出的能量也許會在109～1010卡，而氫和氧化合成1克水大約釋放出4000卡能量。由此可推斷，輻射變化的能量比任何分子變化的能量都至少大2萬倍，甚至100萬倍。盧瑟福開玩笑說，假如能找到一種合適的起爆物，可以設想在物質中觸發一個原子蛻變波，這將使這個舊世界消失在煙霧中。後來索迪在《鐳的闡述》一書中提到：若能把潛伏並束縛在原子結構中的巨大能量引出來加以控製，它將是一種改變世界命運的動力！吝嗇的自然用一個杠杆小心地控製著所蓄能量的輸出。那個能抓住這個杠杆的人將擁有一件武器。如果他願意，就可以用它毀滅地球。
原子核是能量的聚集地，它的比重極大。如果將1立方厘米的純粹的原子核物質（即質子和中子）集中在一起，那麼重量將達到1億多噸。
1918年，湯姆生的學生阿斯頓（1922年諾貝爾化學獎獲得者）製究成功了可以準確地測量原子核質量的質譜儀。他發現幾乎所有的原子重量都十分接近整數，而且它們之間存在著近似倍數關係。如氫為1.008，由4個氫集中在一起的氦為4.002。令人奇怪的是，氦為什麼不是4.0032呢？氧不是16，而是15.994。這同整數的微小差別意味著什麼呢？阿斯頓經過一係列研究認為：在原子核裏，質子和質子之間有電的排斥力。但實驗表明，原子核裏的質子不但沒有彼此分離，而且還和中子緊緊地“抱”成一團。原來，在核子之間還有一種很強的作用力，這種作用力就是核力。就是這種核力，將質子和中子“捆”在一起。現在，人們稱核力為結合能。核力有點像“膠”，隻在非常小的距離內起作用，一般每一個核子隻與相鄰的核子有核力作用，距離再大一點就不起作用了。盡管如此，核力作用仍然十分強大。據測算，如果一張紙純粹是由原子核做成的話，則需要200輛火車頭的拉力才能把它撕破。可見，“核力”是非常強大，原子核內蘊含的巨大能量也是非常驚人的。原子重量同整數的微小差別，根據阿斯頓在20世紀20年代進行的研究表明，中等大小的原子核結合得最緊密，周期表兩端的原子核變成中等大小的原子核時，會放出能量。小的原子核變成中等大小的原子核，這個過程叫做核聚變。在這個過程中，有質量虧損現象。根據現已由實驗證明了愛因斯坦（1921年諾貝爾物理獎獲得者）質能關係式：即ΔE=Δmc2（式中E為釋放的能量，M為減少或增加的質量，C為光速），可以算出損失的質量會轉化成多少能量。一克鈾所具有的能量，足夠一盞1000瓦的電燈點燃2850年，或者相當於燃燒2000噸汽油的能量。
1933年10月，比利時首都布魯塞爾舉行了世界上第一次討論核物理的盛會。在會上，約裏奧即瑪麗·居裏的女婿提交了一份報告，他們發現，如果用釙產生的α粒子來轟擊中等重量的元素，被擊中的靶子將放射出質子。當用α粒子轟擊某些較輕的元素，如鋁和硼，有時不是放射出一粒質子，而是先放射出一粒中子，然後再放射出一粒正電子，這似乎證明質子是中子和正電子的複合體。這個結論遭到許多與會科學家的懷疑甚至反對。但玻爾卻認為他的實驗結果很重要。約裏奧夫婦回到巴黎，下決心徹底解決這個問題。在實驗中，約裏奧夫婦用釙放射源來輻射鋁片製成的靶子，即用釙放射出的α粒子作“炮彈”，向鋁板“開火”，結果可以聽到蓋革計數器（一種檢測輻射粒子的儀器）嘀嘀的響聲。當他們把放射源拿開時，中子的放射完全停止了，本來蓋革計數器的響聲也應該停止，但實際上響聲仍然在繼續。經實驗檢測，原來正電子的放射仍在繼續進行，像天然放射性元素的放射性那樣，在一段時間內逐漸減少，在大約3分鍾內衰減到它開始時強度的一半。約裏奧夫婦以為蓋革計數器出了問題，便請來了有關專家檢查，結果證明蓋革計數器處於良好的工作狀態。約裏奧夫婦現在肯定自己發現了用人工方法使物質具有放射性的途徑，他們計算了可能發生的變化：鋁（13個質子、14個中子）＋α粒子（2個質子、2個中子）→磷（15個質子、15個中子）＋1個中子由於這種結構的磷不穩定，會繼續嬗變：磷（15個質子、15個中子）→矽（14個質子、16個中子）＋1個正電子這個實現表明，不但可以像盧瑟福那樣將原來的原子核撞下一部分來，而且可能用人工方法使核在放射性衰變中釋放出部分能量。約裏奧於1935年獲得諾貝爾獎，當時他曾經預言：“我們有理由相信，科學家可以隨心所欲的聚合或分裂元素，從而使爆炸形式的嬗變成為事實。如果這種嬗變一旦能成功地在物質中蔓延開來，我們可以看到巨大的、可利用的能量將會被釋放出來。”