Trong thế kỷ 20, sự phát triển của vật lý hạt nhân đã tạo ra những bước đột phá quan trọng. Năm 1938, hai nhà khoa học Otto Hahn và Fritz Strassmann đã phát hiện ra hiện tượng phân hạch hạt nhân, mở đường cho việc phát triển năng lượng hạt nhân. Phân hạch hạt nhân là quá trình hạt nhân nặng (như Uranium-235) hấp thụ một neutron và vỡ ra thành hai hoặc nhiều hạt nhân nhẹ hơn, đồng thời giải phóng neutron và một lượng năng lượng khổng lồ. Sau đó, vào năm 1942, nhà vật lý Enrico Fermi đã xây dựng lò phản ứng hạt nhân đầu tiên trên thế giới, chứng minh rằng có thể kiểm soát phản ứng phân hạch để tạo ra năng lượng.
Năng lượng được giải phóng trong phản ứng phân hạch hạt nhân tuân theo công thức nổi tiếng E = mc² của Einstein, trong đó:
• E là năng lượng giải phóng (đơn vị Jun - J)
• m là độ hụt khối, tức là sự giảm khối lượng giữa các hạt nhân trước và sau phản ứng (đơn vị kilogam - kg)
• c là tốc độ ánh sáng trong chân không (c ≈ 3 x 10⁸ m/s)
Công thức này cho thấy một lượng nhỏ khối lượng có thể chuyển hóa thành một lượng năng lượng cực kỳ lớn. Đây chính là cơ sở của năng lượng hạt nhân.
Ngày nay, năng lượng hạt nhân được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất điện, y học, công nghiệp và nghiên cứu khoa học. Các nhà máy điện hạt nhân sử dụng nhiên liệu như uranium-235 hoặc plutonium-239 để tạo ra nhiệt từ phản ứng phân hạch dây chuyền được kiểm soát. Nhiệt lượng này đun sôi nước, tạo ra hơi nước làm quay tua-bin của máy phát điện, sản xuất ra điện năng. Phản ứng phân hạch dây chuyền là phản ứng trong đó neutron được giải phóng từ một sự kiện phân hạch có thể gây ra phân hạch ở các hạt nhân khác, tạo ra một chuỗi các phản ứng tự duy trì. So với nhiên liệu hóa thạch, năng lượng hạt nhân có ưu điểm là phát thải ít khí nhà kính, giúp giảm tác động đến môi trường.