Aatomi jagamatuse ja igavese püsivuse idee oli 20. sajandi alguses muutunud ajalooks. Radioaktiivsuse uurimine oli paljastanud tõsiasja, et vähemalt mõne elemendi aatomituumad lagunevad, kiirates $\alpha$- ja $\beta$-osakesi. $\alpha$-osake on heeliumi tuum, mis tähendab, et üks aatom (näiteks raadium) paiskab välja teise aatomi (heeliumi) tuuma. Seejuures muutub ta ka ise teiseks elemendiks. $\beta$-osake on kiire (st suure energiaga) elektron. Esimestes oletustes tuuma koostise kohta eeldati tuumaelektronide olemasolu, aga katsed ja arvutused näitasid, et see pole nii. Järelikult peavad elektronid tuumas tekkima, aga kuidas ja millest?

Kuni 1919. aastani oli tuumade muundumisest tuntud ainult iseeneslik $\alpha$- ja $\beta$-lagunemine. Mitme tuuma või tuuma ja osakese vahelisi interaktsioone, mille käigus tuumad lagunevad või moodustuvad uued, looduses küll toimub, aga neile polnud kuigi kerge jälile saada.

Ernest Rutherford uuris Manchesteris mitu aastat $\alpha$-osakeste mõju gaasidele: vesinikule, lämmastikule jt. Tema viimaseks tööks enne Cambridge'i tagasipöördumist oli tõestus, et $\alpha$-osakesed löövad lämmastiku tuumadest välja prootoneid ja ise ühinevad lämmastikuga. Seda võib lugeda esimeseks kontrollitud tingimustes uuritud tuumareaktsiooniks:

Tuumareaktsiooni võrrandis on siin vasakul poolel levinuim lämmastiku isotoop $\frac{14}{7}N$, mis ühinemisel $\alpha$-osakesega (heeliumi tuumaga $\frac{4}{2}He$) muutub stabiilseks hapniku isotoobiks $\frac{17}{8}O$, mida looduslikus hapnikus on ainult 0,04%. Eraldub prooton ehk vesiniku tuum, mille tekke järgi reaktsioon tegelikult avastati.

Keemiliste reaktsioonide võrrandites avaldub 18. sajandil avastatud aine massi jäävuse seadus, mis tähendab, et kõik lähteainete aatomid peavad olema ka saaduste poolel ehk võrrand olgu tasakaalus. Tuumareaktsioonide võrrandid tasakaalustuvad teiste jäävusseaduste järgi, millest nimetame kolm:

• Laengu jäävuse seadus. Sümbolite juures on alumise indeksina märgitud tuumalaeng (tuuma positiivsete elementaarlaengute ehk prootonite arv, järjenumber). Laengute summa võrrandi pooltel peab olema tasakaalus.
• Massiarvu jäävuse seadus. Massiarvud (prootonid ja neutronid kokku) peavad samuti olema tasakaalus. Tuumareaktsioonides ei tähenda see massi jäävust samas mõttes kui keemilistes reaktsioonides.
• Energia jäävuse seadus.

Tuumareaktsiooni võrrandi vastavus jäävusseadustele ei tähenda veel, et selline reaktsioon toimub. Tuumad või osakesed peavad ka kokku saama. Rutherfordi teostatud või pigem avastatud tuumareaktsioonis kasutati $\alpha$-osakesi, mis tekkisid iseeneslikul radioaktiivsel lagunemisel. Lämmastiku tuum ja $\alpha$-osake on mõlemad positiivse laenguga, et nad kohtuksid, tuleb ületada elektriline tõukejõud, nn kuloniliste jõudude barjäär. Looduslikel α-osakestel selle barjääri ületamiseks piisavalt energiat pole ja nimetatud reaktsioon saab toimuda ainult tänu tunnelefektile (ptk Määramtusseos). Tuumareaktsioone saab toimuma panna ka kunstlikult osakesi kiirendades. Esimese kiirendatud prootonitega tuumareaktsiooni teostasid 1932. aastal John Cockcroft ja Ernest Walton. Nende saavutust nimetatakse aatomi lõhestamiseks, mis on selles mõttes õige, et saadused (heeliumi tuumad) on väiksemad kui märklauaks olnud liitiumi tuumad. Sisuliselt on tuumereaktsiooni toimumine siiski keerulisem ja lõhestamiseks võib seda ainult kujundlikult nimetada.

Selles üsna kuulsaks saanud tuumareaktsioonis ilmneb huvitav energeetiline efekt. Mõõtmised näitasid, et $\alpha$-osakeste kineetiline energia oli kokku suurem kui prootonite oma (liitium oli paigal). See tähendab, et reaktsioon on eksotermiline, tuumareaktsioonis vabaneb energiat. Energia tootmiseks see siiski ei sobi, sest ei toimu iseenesest. Selleks, et aatomid pidevalt lõhustuksid, on vaja pidevalt prootoneid kiirendades energiat kulutada. Tuumaenergeetika vajab reaktsioone, mis ennast ise käigus hoiaksid, teisisõnu ahelreaktsioone (ptk Tuumaenergeetika). Ahelreaktsioon tekitab ise osakesi, mis põhjustavad uue reaktsiooni. Selliseid protsesse tuntakse nii keemias, füüsikas kui ka majanduses. Tuumafüüsikas osutus järjekordseks pöördepunktiks uraani tuuma lagunemise avastamine 1938. aastal. Just siis said läbi teaduse kuldsed ajad. Euroopa teadlased olid rahvuslikel ja poliitilistel põhjustel üle maailma laiali paisatud, järgmisel aastal algas Teine maailmasõda ja teaduslik saavutus sai ühtlasi pöördeks rahvusvahelistes suhetes (ptkTuumarelv).

Ahelreaktsioonis laguneb uraan-235 tuum (looduslikus uraanis 0,72%) neutronite toimel ja eralduvad uued neutronid:

Reaktsiooni saadusteks on erinevad kildtuumad, millest esimesena avastati keemilise analüüsi abil baarium. Hiljem on selgunud, et neutroni haaramisega ebastabiilseks muutunud uraan-235 tuum laguneb erinevateks baariumi ja krüptooni isotoopideks (seepärast pole võrrandis massiarve) ja ka muud killud ei ole võimatud. Reaktsioon jätkab ennast sobivates tingimustes ise, sest tekitab uusi neutroneid, mis võivad omakorda uraanituumasid lõhkuda. Ahelreaktsioon võib laviinina laienedes kulgeda plahvatuslikult, aga kui uusi neutroneid ei teki piisavalt, võib ka hääbuda.

Maapealsed tingimused ei soosi üldiselt tuumareaktsioonide toimumist. Gabonis, Ekvatoriaal-Aafrikas on leitud uraanimaagis jälg kaks miljardit aastat tagasi toiminud looduslikust tuumareaktorist. Praeguse uraanimaagi koostise ja Maal valitsevate tingimuste juures see enam töötada ei saaks. Mitmeid tuumareaktsioone tekitab kosmiline kiirgus ja tähed säravad just tuumareaktsioonide arvel.

Tähtede tohutu kiirgusvõimsuse taga on heeliumi tuumade süntees:

Tähe suur siserõhk ja kõrge temperatuur võimaldab prootonitel ühineda heeliumiks läbi mitme vaheetapi. Lõpuks tekib väga stabiilne tuum ($\alpha$-osake), mis koosneb kahest prootonist ja kahest neutronist. Osa lähteprootonitest muutuvad neutroniteks ja laengu jäävuse tõttu tekivad positronid (positiivse laenguga elektronid, antielektronid), mis tavaliste elektronidega kohtudes kohe annihileeruvad:

Heeliumi sünteesis vabaneb palju energiat, millest osa eraldub $\gamma$-kiirguse ja neutriinodena (${\nu }_e$).