Transmutace je změna látky, hmotné nebo nehmotné, z jedné formy nebo stavu do jiné. Pro staré alchymisty to znamenalo přeměnu jedné fyzické látky v jinou, zejména obecných kovů, jako je olovo, v cenné stříbro a zlato. Pro moderní vědce to znamená přeměnu jednoho prvku v jiný pomocí jednoho nebo řady jaderných rozpadů nebo reakcí.
Přestože lidé ve starověku pracovali se zlatem, stříbrem, mědí, železem, cínem, olovem, uhlíkem, sírou a rtutí, chemii příliš nerozuměli a neuměli o ní mnoho psát. V této době byla chemie uměním, nikoli vědou. Jako první vytvořili rozsáhlou písemnou dokumentaci chemických postupů Egypťané, a to na počátku křesťanské éry, a Egypt je obecně označován za místo zrodu chemie. Tyto spisy naznačují, že vývoj metod přeměny jedné látky v jinou byl jedním z hlavních raných cílů jejich bádání. Během několika set let, které následovaly po těchto spisech, se alchymisté pokoušeli vyvinout schémata pro přeměnu obecných kovů ve zlato a stříbro pomocí různých chemických manipulací se směsmi a destilací. Alchymisty podnítilo to, co se zdálo být úspěšné – například výroba velmi malého množství zlata z olověné rudy pomocí jejich chemických postupů. (Toto zlato bylo nepochybně ve stopovém množství přítomno v původních rudách a nebylo vyrobeno transmutací.) Vrcholné bláznovství alchymistů se ukázalo ve středověku při hledání kamene mudrců, látky, kterou by bylo možné smíchat s obecnými kovy a po vyčištění je přeměnit na zlato. Nikdy nebyl nalezen.
Protože každý prvek má jiný, ale pevně stanovený počet protonů v jádře atomu, což je atomové číslo, transmutace jednoho chemického prvku na jiný zahrnuje změnu tohoto čísla. Taková jaderná reakce vyžaduje milionkrát více energie, než bylo k dispozici při chemických reakcích. Proto alchymistův sen o přeměně olova ve zlato nebyl nikdy chemicky dosažitelný.
Přestože se alchymistům nepodařilo najít metodu transmutace obecných kovů na kovy drahé, byla výsledkem jejich snah řada důležitých chemických procesů. Například získávali kovy z rud, vyrobili řadu anorganických kyselin a zásad, které se později staly obchodně důležitými, a vyvinuli techniky tavení, kalcinace, rozpuštění, filtrace, krystalizace, sublimace a především destilace. Ve středověku se začali snažit systematizovat výsledky svých primitivních pokusů a útržky informací, aby mohli vysvětlit nebo předpovědět chemické reakce mezi látkami. Tak se objevila myšlenka chemických prvků a první primitivní formy chemické periodické tabulky.
Ironií je, že jaderné transmutace probíhaly alchymistům prakticky pod nosem (nebo pod nohama), ale oni neměli ani metody, jak tyto děje odhalit, ani znalosti, jak je využít. Objev procesu jaderné transmutace úzce souvisel s objevem radioaktivity Henri Becquerelem v roce 1896. K jaderným transmutacím dochází při samovolném radioaktivním rozpadu přirozeně se vyskytujícího thoria a uranu (atomová čísla 90, resp. 92) a při radioaktivním
dceřiné produkty jejich rozpadu, konkrétně řady přirozeného rozpadu. Jako příklad je na obrázku 1 uvedena rozpadová řada 232 Th. Horní index 232 představuje atomovou hmotnost, což je celkový počet protonů a neutronů v jádře atomu. V této rozpadové řadě začíná jádro 232 Th proces spontánní emisí částice α (jádro He obsahující dva protony a dva neutrony). Tato reakce přemění jádro Th na jádro s o dva protony a dva neutrony méně, tedy 228 Ra. Jádro 228 Ra pak spontánně emituje částici β (elektron), která přemění neutron v jádře na proton, čímž se atomové číslo výsledného jádra zvýší o jedničku beze změny atomové hmotnosti a vznikne jádro 228 Ac. Tato posloupnost postupných rozpadů α a β pokračuje od jednoho prvku k druhému, dokud nevznikne stabilní jádro 208 Pb (viz obrázek 1). Existují také dva další přirozeně se vyskytující rozpadové řetězce, jeden začínající 235 U (řada aktinia) a druhý začínající 238 U (řada uranu). Kromě těchto tří rozpadových řad existuje v přírodě čtrnáct dalších radioaktivních izotopů v rozmezí od 40 K do 190 Pt, které se přeměňují rozpadem na stabilní prvky.
Myšlenka transmutace prvků v přírodních rozpadových řadách neprovázela Becquerelův objev radioaktivity. Marie a Pierre Curieovi však Becquerelovy výzkumy rozšířili pomocí různých
Minerály U a zjistil, že radioaktivní vlastnosti nejsou funkcí fyzikálních nebo chemických forem uranu, ale vlastností samotného prvku. Pomocí metod chemické separace izolovali v roce 1898 dvě nové radioaktivní látky spojené s minerály U a pojmenovali je polonium a radium. V roce 1902 Ernest Rutherford a Frederick Soddy vysvětlili podstatu procesu probíhajícího v přírodních rozpadových řetězcích jako radioaktivní rozpady U a Th za vzniku nových látek transmutací.
Lord Rutherford a jeho skupina vědců byli prvními osobami, které v roce 1919 vyrobily a detekovaly umělé jaderné transmutace. Bombardoval dusík ve vzduchu částicemi α, které se uvolňují při rozpadu 214 Po. Transmutační reakce spočívala v pohlcení částice α jádrem 14 N za vzniku 17 O a protonu (jádra vodíku). Tuto reakci lze zapsat jako
14 N + 4 He → 17 O + 1 H
Lord Rutherford dokázal detekovat a identifikovat protony vzniklé při této jaderné reakci, a tím prokázat proces transmutace.
Až do roku 1934 byly ke studiu k dispozici pouze přirozeně se vyskytující radioaktivní prvky. V lednu téhož roku však Irene Curieová (dcera Marie Curieové) a Frederic Joliot oznámili, že vzorky bóru a hliníku se staly radioaktivními bombardováním α-částicemi polonia, čímž vznikly dva nové radioaktivní produkty, 13 N a 30 P. V lednu téhož roku se jim podařilo vytvořit dvě nové radioaktivní látky. Tento objev založil nové obory jaderné chemie a radiochemie a odstartoval jejich rychlý rozvoj.
S rozvojem jaderných reaktorů a urychlovačů nabitých částic (běžně označovaných jako „rozbíječe atomů“) v průběhu druhé poloviny dvacátého století se transmutace jednoho prvku na jiný stala běžnou záležitostí. Ve skutečnosti byly jadernými transmutačními reakcemi vyrobeny přibližně dvě desítky syntetických prvků s atomovým číslem vyšším než má přirozeně se vyskytující uran. V zásadě je tedy možné dosáhnout alchymistického snu o transmutaci olova ve zlato, ale náklady na výrobu pomocí jaderných transmutačních reakcí by značně převýšily hodnotu zlata.