Năm 1934, Enrico Fermi bắn phá các nguyên tố hóa học bằng nơtron để tạo ra đồng vị của các nguyên tố khác. Ông cho rằng việc bắn phá uranium bằng nơtron sẽ làm cho nó không bền vững và tạo ra một nguyên tố mới. Nhưng rất tiếc là Fermi không thể xác định được sản phẩm của phản ứng.
Năm 1939, các nhà khoa học Meitner, Otto Frisch, Hahn và Strassman đã thực hiện các thí nghiệm của Fermi để xác minh kết quả và tạo ra nền tảng lý thuyết hạt nhân, bao gồm cả việc tính toán năng lượng được giải phóng trong phản ứng. Và họ đi đến kết luận hạt nhân uranium đã tách thành hai hạt nhân nhỏ hơn – sự tách này còn được gọi là phân hạch.
Để giải thích cơ chế của phản ứng phân hạch, Niels Bohr và John Wheeler đã phát triển mô hình giọt chất lỏng (hình vẽ). Theo mô hình này, khi bắn một nơtron vào một hạt nhân thì hạt nhân nhận năng lượng kích hoạt và chuyển sang trạng thái kích thích, trạng thái này không bền vững và kết quả xảy ra phân hạch.

Hình. Mô hình giọt chất lỏng, Uranium bị tách thành hai hạt nhân nhẹ hơn bởi một nơtron
Các nơtron tạo thành sau phân hạch có động năng lớn thường bị hấp thụ hết hoặc thoát ra ngoài khối Uranium. Nếu chúng được làm chậm lại thì có thể gây ra sự phân hạch tiếp theo cho các hạt khác khiến cho sự phân hạch trở thành phản ứng dây chuyền. Phản ứng dây chuyền này có thể diễn ra một cách có kiểm soát như trong lò phản ứng hạt nhân ở nhà máy điện, hoặc không kiểm soát được sẽ dẫn đến một vụ nổ hạt nhân như bom nguyên tử.
Như vậy, phân hạch là phản ứng trong đó một hạt nhân nặng hấp thụ một nơtron chậm vỡ thành hai hạt nhân trung bình đồng thời phóng ra một số nơtron và tỏa ra một năng lượng rất lớn. Các nơtron được sinh ra sau mỗi phân hạch lại có thể bị hấp thụ bởi các hạt nhân khác ở gần đó làm xảy ra các phân hạch tiếp theo và cứ thế sự phân hạch xảy ra thành một dây chuyền. Năng lượng giải phóng trong quá trình này có thể được sử dụng để sản xuất điện (nhà máy điện hạt nhân), hoặc trong chương trình răn đe hạt nhân (bom nguyên tử).