A transzmutáció egy anyag – tárgyi vagy nem tárgyi – egyik formából vagy állapotból egy másikba történő átalakítása. A régi idők alkimistái számára ez az egyik fizikai anyagnak egy másikba való átalakítását jelentette, különösen az olyan nem nemes fémek, mint az ólom, értékes ezüstté és arannyá alakítását. A modern tudósok számára ez az egyik elemnek egy másik elemmé való átalakítását jelenti egy vagy több nukleáris bomlás vagy reakció révén.
Bár az ókorban az emberek dolgoztak arannyal, ezüsttel, rézzel, vassal, ónnal, ólommal, szénnel, kénnel és higannyal, keveset értettek a kémiához, és keveset tudtak írni róla. Ebben az időben a kémia művészet volt, nem tudomány. Az egyiptomiak voltak az elsők, akik a keresztény korszak kezdetén kiterjedt írásos dokumentációt készítettek a kémiai eljárásokról, és Egyiptomot általában a kémia szülőföldjeként tartják számon. Ezek az írások arra utalnak, hogy az egyik anyagot egy másik anyaggá alakító módszerek kifejlesztése volt az egyik fő korai céljuk. Az ezeket az írásokat követő több száz év alatt az alkimisták olyan módszereket próbáltak kidolgozni, amelyekkel a nem nemes fémeket a keverékek és desztillációk különböző kémiai manipulációi révén arannyá és ezüstté alakíthatták át. Az alkimistákat felbuzdították a látszólagos sikerek – például az, hogy kémiai eljárásaikkal nagyon kis mennyiségű aranyat állítottak elő ólomércből. (Ez az arany kétségtelenül nyomokban jelen volt az eredeti ércekben, és nem transzmutációval állították elő). Az alkimisták végső ostobasága a középkorban bukkant fel, amikor a bölcsek kövét keresték, egy olyan anyagot, amelyet nem nemes fémekhez lehetett keverni, és tisztítással arannyá lehetett alakítani. Soha nem találták meg.
Mivel minden elemnek más és más, de rögzített protonszámmal rendelkezik az atommagban, ami az atomszám, az egyik kémiai elem másik elemmé történő transzmutációja e szám megváltoztatásával jár. Egy ilyen nukleáris reakcióhoz milliószor több energiára van szükség, mint amennyi a kémiai reakciók révén rendelkezésre állt. Így az alkimisták álma, hogy az ólmot arannyá alakítsák át, kémiailag soha nem volt megvalósítható.
Bár az alkimistáknak nem sikerült módszert találniuk a nem nemesfémek nemesfémmé történő átalakítására, számos fontos kémiai folyamatot eredményeztek erőfeszítéseik. Például fémeket nyertek ki ércekből; számos szervetlen savat és bázist állítottak elő, amelyek később kereskedelmi jelentőségűvé váltak; és kifejlesztették az olvasztás, kalcinálás, oldás, szűrés, kristályosítás, szublimálás és – ami a legfontosabb – a desztilláció technikáját. A középkorban kezdték megpróbálni rendszerezni kezdetleges kísérleteik eredményeit és töredékes információikat, hogy megmagyarázzák vagy megjósolják az anyagok közötti kémiai reakciókat. Így jelent meg a kémiai elemek gondolata és a kémiai periódusos rendszer első kezdetleges formái.
Ironikus módon az alkimisták orra előtt (vagy a lábuk alatt) gyakorlatilag nukleáris transzmutációk zajlottak, de nem voltak sem módszereik a történések észlelésére, sem ismereteik ezek felhasználására. A nukleáris transzmutációs folyamat felfedezése szorosan összefügg Henri Becquerel 1896-os radioaktivitás felfedezésével. A nukleáris transzmutáció a természetben előforduló tórium és urán (90-es, illetve 92-es atomi számmal) spontán radioaktív bomlása és a radioaktív
bomlásuk leánytermékei, nevezetesen a természetes bomlási sorozat. Példaként a 232 Th bomlási sorozatát mutatja az 1. ábra. A 232-es felirat az atomtömeget jelöli, amely az atommagban lévő protonok és neutronok összesített számát jelenti. Ebben a bomlási sorozatban a 232 Th atommag egy α-részecske (két protont és két neutront tartalmazó He atommag) spontán kibocsátásával indítja a folyamatot. Ez a reakció a Th atommagot két protonnal és két neutronnal kevesebbet tartalmazó atommaggá, azaz 228 Ra atommaggá alakítja át. Ezután a 228 Ra atommag spontán kibocsát egy β-részecskét (egy elektront), amely az atommagban lévő egy neutront protonra alakítja át, és az így keletkező atommag atomi tömegének változatlansága mellett eggyel megnöveli az atommag atomszámát, így kapjuk a 228 Ac-ot. Ez az egymást követő α- és β-bomlások sorozata egyik elemről a másikra folytatódik, amíg a stabil 208 Pb atommag keletkezik (lásd az 1. ábrát). A természetben két másik bomlási lánc is létezik, az egyik a 235 U-val kezdődik (az aktíniumsorozat), a másik pedig a 238 U-val (az uránsorozat). E három bomlási sorozaton kívül tizennégy másik radioaktív izotóp is létezik a természetben, 40 K-tól 190 Pt-ig, amelyek bomlás útján stabil elemmé alakulnak át.
Az elemek természetes bomlási láncolatokban történő transzmutációjának gondolata nem kísérte a radioaktivitás Becquerel általi felfedezését. Marie és Pierre Curie azonban kiterjesztette Becquerel vizsgálatait, különféle
U ásványokat, és megállapította, hogy a radioaktív tulajdonságok nem az urán fizikai vagy kémiai formáinak függvényei, hanem magának az elemnek a tulajdonságai. Kémiai szétválasztási módszerekkel 1898-ban izoláltak két új, az U-ásványokhoz kapcsolódó radioaktív anyagot, amelyeket polóniumnak és rádiumnak neveztek el. 1902-ben Ernest Rutherford és Frederick Soddy elmagyarázta a természetes bomlási láncokban lejátszódó folyamat természetét, mivel az U és a Th radioaktív bomlása során transzmutáció útján új anyagok keletkeznek.
Lord Rutherford és tudóscsoportja volt az első, aki 1919-ben mesterséges nukleáris transzmutációkat állított elő és mutatott ki. A levegőben lévő nitrogént a 214 Po bomlása során kibocsátott α -részecskékkel bombázta. A transzmutációs reakció során egy α -részecske elnyelődött a 14 N atommagban, és 17 O és egy proton (hidrogénmag) keletkezett. Ez a reakció a következőképpen írható fel:
14 N + 4 He → 17 O + 1 H
Lord Rutherford képes volt kimutatni és azonosítani az ebben a magreakcióban keletkezett protonokat, és ezzel demonstrálni a transzmutációs folyamatot.
1934-ig csak a természetben előforduló radioaktív elemeket lehetett tanulmányozni. Ugyanezen év januárjában azonban Irene Curie (Marie Curie lánya) és Frederic Joliot arról számolt be, hogy bór- és alumíniummintákat radioaktívvá tettek úgy, hogy polóniumból származó α-részecskékkel bombázták őket, így két új radioaktív termék, 13 N és 30 P keletkezett. Ez a felfedezés megalapozta a nukleáris kémia és a radiokémia új területeit, és gyors fejlődésüket elindította.
A huszadik század második felében az atomreaktorok és a töltött részecskegyorsítók (közismert nevükön “atomzúzók”) fejlődésével az egyik elemnek a másikba történő transzmutációja mindennapossá vált. Valójában mintegy két tucat, a természetben előforduló uránnál magasabb atomszámú szintetikus elemet állítottak elő nukleáris transzmutációs reakciókkal. Így elvileg megvalósítható az alkimista álma, hogy az ólmot arannyá transzmutálják, de a nukleáris transzmutációs reakciókkal történő előállítás költségei messze meghaladnák az arany értékét.