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Die erste Hälfte des 20. Jahrhunderts stand ganz im Zeichen der Kernphysik und der Quantenchemie. Die neu entdeckten radioaktiven Strahlen ermöglichten neue Experimente, die zur rasanten Weiterentwicklung des Atommodells von RUTHERFORD (1911) über BOHR (1913) bis hin zum modernen quantenmechanischen Atommodell (1927) führten. Das verbesserte Verständnis der Struktur der Materie wird auch an der Weiterentwicklung der Bindungstheorie deutlich.
Durch kernchemische Experimente wurden neue Elemente entdeckt, darunter das hoch radioaktive Plutonium. Während des 2. Weltkriegs stellten sich Chemiker und Physiker in den Dienst des Militärs und entwickelten neue Sprengstoffe, giftige Kampfstoffe sowie die erste Atombombe.
Biochemiker erkundeten die Strukturen von Naturstoffen und konnten diese nach und nach im Labor synthetisieren. Beispiele sind die Eiweiße, die Vitamine und die Hormone, deren Wirkprinzipien in biochemischen Prozessen erkannt wurden. Außerdem gewann die Synthese von Arzneistoffen (Antibiotika, Schmerzmittel etc.) zunehmend an Bedeutung und wurde ebenfalls industriell durchgeführt.
Die chemische Industrie erlebte einen ungeahnten Aufschwung, da neben Medikamenten auch der Bedarf an Erdölprodukten stieg. Diese wurden sowohl zu Kraftstoffen verarbeitet als auch zu den neuen Werkstoffen des 20. Jahrhunderts, den makromolekularen Kunststoffen. Das Zeitalter der Plaste, Elaste und Kunstfasern begann in den 30er-Jahren mit der Beherrschung der großtechnischen Synthesen von PVC, Nylon, Polyurethanen und Siliconen.