Questa reazione interessa prevalentemente elementi con numero di massa superiore a 100, ma è molto più facilmente osservabile in quelli aventi una massa intorno al valore di 230. I prodotti di fissione derivanti da questi elementi, infatti, possiedono una massa totale leggermente inferiore a quella del nucleo di partenza; questa differenza di massa è la causa dell'energia prodotta nella reazione perché la massa "persa" si trasforma in energia, secondo l'equazione di Einstein E = mc2.
La fissione, in genere, avviene a causa della cattura di un neutrone da parte del nucleo di un elemento pesante, più facilmente da parte di un isotopo di un elemento stabile. Negli elementi chimici, il rapporto tra protoni e neutroni cresce con l'aumentare del numero atomico, partendo da un valore di 1 per l'idrogeno; questo causa instabilità negli elementi pesanti e, in maniera maggiore, nei loro isotopi, visto che entrambi possiedono energie di legame molto basse. Basta, quindi, che un nucleo di tali elementi catturi un neutrone perché l'energia rilasciata dal "riassestamento" dei nucleoni ecceda l'energia di legame. A questo punto, il nucleo acquista un'anomala forma allungata e, nel giro di qualche frazione di secondo (meno di 10-12 s), il nucleo si divide in due nuclei instabili a numero atomico notevolmente più basso, emettendo, inoltre, alcuni neutroni (in media 2 o 3) ed energia sotto forma di radiazioni elettromagnetiche.
La scoperta della fissione nucleare risale al 1939, quando dei chimici tedeschi, Otto Hahn e Fritz Strassmann(prendendo spunto dagli esperimenti di Fermi del 1934), riuscirono a dividere un nucleo di uranio in due parti pressoché uguali tramite bombardamento con neutroni, in seguito fu la fisica austriaca Lise Meitner che spiegò il processo della fissione nucleare.
In
una reazione di fissione, un nucleo di uranio o di un altro elemento
pesante si scinde, per effetto del bombardamento con neutroni, formando
una coppia di frammenti di nucleo e liberando una notevole quantità di
energia. Il processo è accompagnato da una rapida emissione di neutroni
veloci, uguali a quelli che hanno innescato la fissione del nucleo di
uranio; ciò consente l'inizio della cosiddetta reazione a catena, che
consiste in una serie autoalimentata di fissioni nucleari: i neutroni
che vengono emessi nel processo di fissione possono a loro volta
innescare il medesimo processo, con continuo sviluppo di energia.
L'isotopo leggero dell'uranio viene scisso
per effetto dei neutroni prodotti durante la reazione di fissione e,
scindendosi, emette 2 o 3 neutroni. Per sostenere la reazione a catena
è necessario un neutrone per ogni generazione di fissioni nucleari; i
neutroni eccedenti possono sfuggire dalla massa del materiale oppure
possono essere assorbiti da impurità o dall'isotopo pesante di uranio,
nel caso in cui questo sia presente. Una sostanza capace di sostenere
una reazione di fissione a catena è detta fissile.