Создание ядерного оружия стало возможным после фундаментальных открытий, сделанных с конца 19-го века до 40-х годов 20-го века. После открытия явления радиоактивности, учёным удалось создать модель атома, установить структуру атомных ядер, открыть и изучить свойства элементарных частиц – электрона (открыт в 1897 г. Д. Д. Томсоном и И. Э. Вихертом), протона (открытый Эрнстом Резерфордом в 1919 году), нейтрона (открыт Чедвиком в 1931 г. и супругами Жолио-Кюри в 1932–1934 г.г. в части основных свойств частицы). В результате выдающихся опытов физика Астона Ф. У. и усовершенствования им приборов – масс спектрографов и методик исследований на примере атомов Неона он доказал, что дробные значения массы атомов элементов вызваны наличием разных изотопов с различными атомными весами и с различной концентрацией этих изотопов в природных веществах. Кроме того, на основе его измерений удалось сделать вывод о том, что массы протонов в «связанном состоянии» внутри атомов отличаются по массе от «свободных» протонов (в атоме водорода). Это означало, что для разрыва связей между протонами требуется дополнительная энергия. Причём у разных элементов эта энергия могла быть и положительной, и отрицательной, т. е. разрыв связей в атомах мог сопровождаться как поглощением, так и выделением значительной энергии.
Установили, что ядра атомов состоят из связанных атомными силами протонов и нейтронов (их общее название: нуклоны), и что нейтроны, как тяжёлые нейтральные частицы, способны вызывать деления отдельных тяжёлых элементов, а также образовывать новые элементы при поглощении ядрами атомов нейтронов. Ввиду отсутствия заряда нейтроны не отталкивались (как протоны) положительно заряженными ядрами атомов. Причём, деление атомных ядер порождало и вторичные нейтроны, благодаря которым казалось возможным осуществить цепную реакцию – лавинообразное, в геометрической прогрессии, – нарастание деления атомов с выделением огромной энергии, вызвав подрыв килограммов ядерной взрывчатки в результате начального деления одиночных атомов. В ходе создания реакторов и атомных бомб установили, при каких условиях возможна такая реакция и в каких природных и искусственно созданных веществах, – определённых изотопах урана, плутония, тория. Получение этих веществ оказалось сложной научно-технической проблемой, которая потребовала огромных вложений, создание новой отрасли промышленности с научно-технической базой и крупнейшими предприятиями-комбинатами (каждый комбинат включал в себя несколько заводов с обслуживающей их инфраструктурой – энергетикой, складами и хранилищами материалов, коммуникациями, транспортом и т. п.). Размеры зданий этих предприятий превышали все созданные ранее. Цеха километровой длины, реакторные корпуса с линейными габаритами около ста метров – и всё это со сложнейшим оборудованием, – таким, которого ранее просто не существовало в природе. Атомные проекты породили множество новых научных открытий, исследований, технологий и потребовали новой культуры производства, – в части чистоты, способов получения и обработки многих новых материалов, – в том числе и таких, каких нет на Земле или которые содержатся в урановых рудах в очень небольших концентрациях.