同一种元素，有着相同的质子数，也称为原子数，从1到119为止。在20世纪30年代，人类已知的原子数最多的元素是92号元素铀。既然不同元素的差异，仅仅是在质子数上，如果给原子数少的原子增加一些质子，就应能得到原子数多的原子。科学家们用质子束（或其他粒子束，比如alpha粒子束）轰击原子，一些质子撞击到被轰击原子的原子核，并粘在上面，从而产生原子数更大的元素。对于某些元素，这样通过增加质子而得到其他元素的做法，确实行得通。因此科学家们就在想，如果给当时已知原子数最大的又增加一些质子，岂不就能创造出新的元素了？

使用一个中子轰击U235的原子核，会产生核裂变分解成为Ba-141, Kr-92和3个中子以及能量。新产生的3个中子会和其他的U235发生反应，不断地裂变和产生能量，形成链式反应。

虽然原子弹的原理很简单，就是前面说的链式反应，但是如何确保链式反应真的能够进行下去，就是一个大问题。虽然说一个快中子可以撞开一个铀原子核，并且释放出三个快中子，但是因为原子核的直径只有原子直径的万分之一左右，中子撞到原子核的概率，就相当于一个盲人往足球场上随便开一枪枪，命中了一个小拇指粗细的标准杆的概率。如果铀金属足够厚，一个中子可以穿透很多铀原子，要么它撞上原子核的概率就大很多。假如一个中子在速度衰减下来之前，有机会穿过1万层原子，那么撞上原子核的几率就上升为63%，这样链式反应就能进行下去了。原子弹中铀的体积必须足够大，或者说质量足够大，达到某个质量链式反应就会自行进行下去，达不到这个质量则中子撞到原子核的几率就很小，链式反应进行一会儿就会停止。这个质量，在物理学上称为临界质量。至于这个临界质量有多大，没有人知道，既不能猜，也不是多多益善，更遗憾的是，它也无法通过实验来解决。（奥本海默负责这个问题，也就是快中子计算）

即使理论计算出链式反应能进行下去，也还需要大量的实验去证实，最好的实验办法就是搭建一个可控的原子反应堆。为了实现可控，就得让反应堆里面的中子速度降下来，只有快中子撞击铀原子核时才会发生核裂变，速度慢的中子撞击原子核是不会导致核裂变的，这样就能避免不可控的核爆炸。降低中子速度的物质被称为减速剂，而最佳的减速剂是中水或纯石墨。不过知道制造大量的重水和纯石墨并不简单，纳粹德国后来就是因为没有重水做实验而影响了核计划的进度。

除了理论和实验的问题，原子能武器还有很多工程和生产的问题需要解决。首先，地球上天然的铀元素大部分都是无法进行链式反应的铀238，只有不到1%的铀是可用于制造原子弹的铀235。如果在原子弹中尽是铀238，那么中子撞到铀235的原子核之前，可能先撞再不会发生核裂变的铀238上了，这样链式反应就不会进行下去，因此原子弹需要非常纯铀235。现在在新闻里提到伊朗核问题时，经常能讲到“浓缩铀”意思就是这个原因。由于铀238和铀235是同一种元素的同位素，化学性质一样，当然无法通过化学方法分离。在工程上，它们的分离是制造核武器的一大难题。（电子离心机分离U235/U238, 和中子轰击U238产生钚239）