A transmutação nuclear é a conversão de um elemento noutro, que é possível através da desintegração da radioatividade, fusão nuclear, e fissão nuclear. Além disso, Ernest Rutherford demonstrou que o nitrogénio-14, quando atingido com uma partícula alfa de movimento rápido, produz um protão juntamente com um nuclídeo diferente, o qual, alguns anos mais tarde, foi identificado como oxigénio-17 por Patrick Blackett. A notação condensada das listas do processo, em ordem, o núcleo alvo, o bombardeamento e partículas ejetadas, e o núcleo do produto.

Os nêutrons e as partículas alfa são partículas comuns do bombardeamento em processos de transmutação. Os elementos com números atómicos superiores a 92 são chamados de elementos transuranianos. Estes elementos são alvos comuns de experiências de transmutação porque eles são inteiramente sintéticos, exceto para o neptúnio e plutónio, que são também produzidos naturalmente em cadeias de desintegração do urânio.

Por exemplo, é gerado o neptúnio-239 em reatores nucleares especializados por bombardeamento de urânio-238 com nêutrons de fissão. Ao serem eletricamente neutros, os nêutrons não encontram repulsão eletrostática a partir dos núcleos, por isso, as velocidades de fissão são suficientes para esta transmutação. O radioativo neptúnio-239 posteriormente decompõe-se em plutónio-239.

Em mais experiências, o plutónio-239 é atingido por partículas alfa em alta velocidade para produzir cúrio, que tem um número atómico de 96. Ao contrário dos nêutrons, as partículas alfa devem superar a repulsão eletrostática exercida pelos núcleos alvo com carga positiva e assim exigir maior energia cinética. Nomeadamente, a repulsão eletrostática é maior com núcleos maiores como o plutónio-239 do que com núcleos mais pequenos como o azoto-14 utilizado nas experiências Rutherford e Blackett.

Os aceleradores de partículas, que incluem aceleradores lineares e cíclotrons, transmitem as altas velocidades desejadas para carregar partículas nucleares. Um acelerador linear em várias fases tem tubos de comprimento crescente e polaridades alternadas. Um potencial elétrico oscilante muda rapidamente as polaridades para que as partículas carregadas sejam alternadamente atraídas e repelidas por cada tubo.

A partícula acelera à medida que os tubos se tornam mais compridos, acabando por atingir velocidades que podem exceder 90%da velocidade da luz. Num cíclotron, em vez disto a tensão alternada acelera a partícula num caminho em espiral. Os aceleradores de partículas podem bombardear os núcleos mesmo com outros núcleos relativamente grandes, como o bombardeamento de chumbo-208 com um feixe de zinco-70.

O produto do elemento transuraniano, copernício-277, gera treze elementos transuranianos através da sua grande cadeia de desintegração, que eventualmente leva ao bismuto-209.