La transmutación nuclear es la conversión de un elemento en otro, siendo esto posible a través de la desintegración radiactiva, la fusión nuclear y la fisión nuclear. Además, Ernest Rutherford demostró que el nitrógeno-14, cuando colisiona con una partícula alfa de movimiento rápido, produce un protón junto con un nucleído diferente, que, unos años más tarde, fue identificado como oxígeno-17 por Patrick Blackett. La notación condensada del proceso enumera, en orden, el núcleo objetivo, las partículas bombardeadas y expulsadas y el núcleo del producto.

Los neutrones y las partículas alfa son partículas de bombardeo habituales en los procesos de transmutación. Los elementos con números atómicos superiores a 92 se denominan elementos transuránicos. Estos elementos son objetivos comunes de los experimentos de transmutación porque son completamente sintéticos, excepto el neptunio y el plutonio, que también se producen naturalmente en las cadenas de desintegración del uranio.

Por ejemplo, el neptunio-239 se genera en reactores nucleares especializados bombardeando uranio-238 con neutrones de fisión. Al ser eléctricamente neutros, los neutrones no encuentran repulsión electrostática de los núcleos, por lo que las velocidades de fisión son suficientes para esta transmutación. El neptunio-239 radiactivo posteriormente se desintegra en plutonio-239.

En experimentos adicionales, el plutonio-239 es golpeado con partículas alfa de alta velocidad para producir curio, que tiene un número atómico de 96. A diferencia de los neutrones, las partículas alfa deben superar la repulsión electrostática ejercida por los núcleos objetivo cargados positivamente y, por lo tanto, requieren una mayor energía cinética. En particular, la repulsión electrostática es mayor con núcleos más grandes como el plutonio-239 que con núcleos más pequeños como el nitrógeno-14 que se utiliza en los experimentos de Rutherford y Blackett.

Los aceleradores de partículas, que incluyen aceleradores lineales y ciclotrones, imparten las altas velocidades deseadas a las partículas nucleares cargadas. Un acelerador lineal de etapas múltiples tiene una serie de tubos de longitudes crecientes y polaridades alternas. Un potencial eléctrico oscilante cambia rápidamente las polaridades para que las partículas cargadas sean atraídas y repelidas alternativamente por cada tubo.

La partícula se acelera a medida que los tubos se alargan, alcanzando finalmente velocidades que pueden superar el 90 de la velocidad de la luz. En un ciclotrón, el voltaje alterno acelera la partícula en una trayectoria en espiral. Los aceleradores de partículas pueden bombardear núcleos incluso con otros núcleos relativamente grandes, como el bombardeo de plomo-208 con un haz de zinc-70.

El elemento transuránico producto, copernicio-277, genera trece elementos transuránicos a través de su principal cadena de desintegración, que finalmente conduce al bismuto-209.