Các nhà vật lí thường xây dựng sự nghiệp của họ trên công trình thực nghiệm hoặc lí thuyết, nhưng Enrico Fermi thì chọn cả hai. Sau khi phát triển một lí thuyết giải thích phân rã beta, ông chuyển sang nghiên cứu thực nghiệm để làm sáng tỏ các lực vật lí tác dụng bên trong hạt nhân.

Những báo cáo mới đó từ phòng thí nghiệm Joliot-Curie ở Paris đã khêu gợi tính hiếu kì của ông. Họ đã bắn phá những nguyên tố khác nhau bằng hạt alpha năng lượng cao, và họ đã tạo ra những đồng vị phóng xạ chưa hề được trông thấy trước đó. Fermi nghĩ về cái cần thiết cho quá trình trên hoạt động. Fermi nhận ra rằng khi hạt alpha chạm tới hạt nhân bia, chúng chịu lực đẩy điện rất lớn. Trừ khi chúng tiến đến cho một va chạm gần như trực diện, bằng không thì hạt alpha có khả năng sẽ bị lệch ra ngoài trước khi chúng tiến tới đủ gần để gây ra những sự biến đổi hạt nhân. Quá trình ấy phải rất không hiệu quả. Vì ý tưởng là khảo sát bên trong hạt nhân với những viên đạn hạ nguyên tử, nên ông quyết định ông sẽ loại trừ lực đẩy điện bằng cách sử dụng một chùm neutron.

Họ sớm có một số kết quả kì lạ để giải thích. Khi bắn phá bạc, họ quan sát thấy sự phóng mạnh hơn khi mục tiêu đặt trên một cái bàn thí nghiệm bằng gỗ so với trên bàn đá cẩm thạch. Suy nghĩ đầu tiên của Fermi là đặt một miếng chì hình nêm giữa nguồn tia và mục tiêu. Nhưng có cái gì đó khiến ông lo lắng, và ông khăng khăng rằng miếng chì cần phải được gia công cẩn thận. Sau đó, không cần chờ lấy miếng chì từ tiệm máy về, Fermi đã hành động trên cái ông mô tả với một phóng viên là một cơn bốc đồng. Ông “lập tức lấy một số miếng parafin cũ và đặt nó chỗ miếng chì”. Kết quả là một sự tăng mạnh sự phóng xạ.

Enrico Fermi, trí tuệ lỗi lạc cả vật lí lí thuyết lẫn thực nghiệm đã đưa đến sự hiểu biết về phân rã beta và là người đầu tiên điều khiển được phản ứng hạt nhân. (Ảnh: NARA, AIP Emilio Segrè Visual Archives)

Vài giờ sau, ông đã hiểu được cái gì đang xảy ra. Các neutron trong chùm tia ban đầu đang chuyển động nhanh đến mức đa số chúng sẽ rít băng qua mà không bị bắt lại. Việc cho nảy một neutron ra khỏi một hạt nhân nặng trước, như trong chì hoặc các nguyên tử bàn đá cẩm thạch, sẽ gây ra chút khác biệt. Nó sẽ đổi hướng, nhưng tốc độ của nó về cơ bản vẫn không đổi, giống như một quả bóng bật khỏi tường. Tuy nhiên, parafin và gỗ chứa nhiều nguyên tử hydrogen. Một neutron chạm trúng một hạt nhân hydrogen – một proton – sẽ hành xử giống như một quả bi-a chạm trúng quả kia. Nó có thể dễ dàng truyền đa phần năng lượng của nó cho proton, đủ chậm lại để cho hạt nhân bạc bắt lấy nó.

Parafin hoặc bàn gỗ tác dụng như cái các nhà khoa học hạt nhân ngày nay gọi là chất điều tiết, biến đổi neutron nhanh thành neutron chậm. Hiện tượng trên dẫn đến một kĩ thuật mới gọi là phân tích hoạt hóa neutron vẫn sử dụng ngày nay để xác định thành phần hóa học và đồng vị của một chất. Fermi và nhóm của ông đã thiết lập nền tảng cho phương pháp phân tích đó bởi việc nghiên cứu sự bắn phá neutron của toàn bộ các nguyên tố thuộc bảng tuần hoàn và đo độ phóng xạ thu được. Khi họ bắn phá hạt nhân uranium 238 (92 proton và 146 neutron) với các neutron chậm vào năm 1934, kết quả thu được không phù hợp với bất cứ cái gì họ từng thấy trước đó. Trong một ấn phẩm năm 1935, Fermi đã mô tả ba sự phát xạ khác nhau, mà ông phỏng đoán là kết quả của những phân rã từ uranium 239 (92 proton, 147 neutron, sinh ra từ uranium 238 bắt lấy một neutron) và những sản phẩm phóng xạ tiếp theo của nó. Ông đã lí thuyết hóa rằng phân rã đầu tiên tạo ra một hạt beta và một hạt nhân phóng xạ mới có 93 proton và 146 neutron (sau này đặt tên là neptunium). Phân rã thứ hai, cũng là một phân rã beta, tạo ra một hạt nhân có 94 proton và 245 neutron (sau này đặt tên là plutonium), hạt này sau đó sẽ phân rã thành uranium 235 bằng cách phát ra một hạt alpha.

Nhóm của Fermi không thể thực hiện phân tích hóa học cần thiết để chứng minh rằng họ thật sự tạo ra được hạt nhân của những nguyên tố mới. Những nguyên tử mới ấy sẽ phải tách khỏi hàm lượng lớn hơn nhiều của uranium, và điều đó sẽ khó vì sự phân rã phóng xạ đoán chừng nhanh chóng của chúng thành một nguyên tố khác có những tính chất hóa học khác. Ba phát xạ ấy có chu kì bán rã – thời gian nửa số lượng hạt nhân phân rã – 15 giây, 13 phút, và 100 phút. Tuy nhiên, các kết quả thật ấn tượng nên Fermi được trao giải Nobel vật lí năm 1938 cho sự khám phá ra những nguyên tố phóng xạ mới. Thật trớ trêu, mặc dù Fermi rất xứng đáng được nhận giải vì sự bắn phá neutron chắc chắn đã tạo ra hạt nhân mà ông mô tả, nhưng những phát xạ phóng xạ mà ông đo đến từ những đồng vị phóng xạ chưa biết của những nguyên tố quen thuộc tạo ra bởi một quá trình hạt nhân khác – sự phân hạch – vẫn chưa biết tới. Khi chu kì bán rã của uranium 239, neptunium 239, và plutonium 239 cuối cùng đã đo được, thì chúng được tìm thấy tương ứng là 23,5 phút, 2,35 ngày, và 24.360 năm.

Một trớ trêu nữa là một nhà hóa học người Đức tên là Ida Noddack (1896–1978) đã chỉ trích giả thiết của Fermi rằng bức xạ đến từ những nguyên tố mới trên uranium trong một bài báo đăng trên tạp chí tiếng Đức Zeitschrift fur angewandte Chemie (Tạp chí Hóa học Ứng dụng). Bà cho rằng hạt nhân uranium thay vì thế có thể bị phá vỡ thành một vài mảnh vỡ lớn. Bà không có thêm bằng chứng nào ủng hộ cho giả thuyết thay thế của bà về sự phân hạch (mặc dù bà không sử dụng thuật ngữ đó), và danh tiếng của bà bị bại hoại bởi một khẳng định không chính xác trước đó cho một khám phá quan trọng. Như vậy, đa số mọi người chấp nhận lời giải thích của Fermi, và việc khám phá ra sự phân hạch chuyển sang tay những người khác, như phần sau nêu rõ.

Nghiên cứu của Fermi về các nguyên tố chuyển tiếp đã kích thích rất nhiều nghiên cứu ở mọi nơi, trong đó có ở phòng thí nghiệm Paris của Irène Joliot-Curie. Bà và người đồng nghiệp xứ Nam Tư, Pavel Savitch, bị cuốn hút bởi tính chất hóa học của những nguyên tố đó, cho nên năm 1938, họ đã áp dụng các kĩ thuật chiết tách và phân tích hóa học với các sản phẩm của uranium bị bắn phá bởi neutron. Một trong những sản phẩm phóng xạ đó hành xử về mặt hóa học giống với nguyên tố lanthanum nhẹ hơn nhiều, số nguyên tử 57, nhưng không hẳn là đồng vị bền lanthanum 139. Nếu đồng vị phóng xạ này thật sự là lanthanum, thì dường như hạt nhân uranium bị tách thành hai nửa xấp xỉ nhau. Kết quả kì dị của họ đã thôi thúc trí tò mò của Lise Meitner, nhà hóa học đồng nghiệp thâm niên của bà Otto Hahn (1879–1968), một nhà hóa học phân tích cộng sự trẻ tên là Fritz Strassman (1902–80) ở Berlin.

Do sự tăng cường đàn áp người Do Thái ở Đức, nên Meitner phải sắp xếp bay sang Scandinavia và bà phải ra đi trước khi Hahn và Strassman có thể lặp lại thí nghiệm của  Joliot-Curie và Savitch. Khoảng thời gian ấy, Fermi cùng người vợ Do Thái của ông, Laura (1907–77) đang chốn trạy chính sách bài Do Thái mà chính quyền Italy của Benito Mussolini (1883–1945) mới thông qua sau khi liên minh với Đế chế thứ ba ở Đức. Sau khi Fermi nhận giải Nobel ở Stockholm, ông cùng vợ không quay về Rome nữa. Thay vì thế, họ xuống tàu đi thẳng sang thành phố New York, ở đó ông được phong hàm giáo sư tại trường Đại học Columbia.

Không bao lâu sau khi Meitner ra đi, thí nghiệm của Hahn và Strassman bắt đầu mang lại những kết quả hấp dẫn. Họ đã tách được các đồng vị của một nguyên tố phóng xạ mà họ biết không phải là radium – chu kì bán ra của những phân rã đa dạng ấy quá ngắn – nhưng phải là một chất có quan hệ gần gũi về mặt hóa học. Phân tích thêm nữa của Strassman cho biết nó là barium, nằm ngay dưới lanthanum trên bảng tuần hoàn. Làm thế nào có thể như vậy? Hahn đã viết một bức thư gửi một đồng nghiệp vật lí mô tả sự hứng thú và bối rối của ông về những kết quả ấy.

Bức thư đến tay Meitner ở Thụy Điển ngay trước ngày Giáng sinh. Bà trầm tư về nó khi người cháu trai yêu quý và cũng là nhà vật lí, Otto Frisch (1904–79), đến thăm nhân dịp nghỉ lễ, hăm hở kể với bà về công việc ông làm cùng với Bohr ở Copenhagen. Bà khăng khăng rằng ông nên đọc lá thư ấy trước. Cái gì có thể làm cho một hạt nhân uranium phân rã? Frisch có một số suy nghĩ, và họ thảo luận với nhau lúc đi bộ ở trong khu rừng tuyết. Bohr đang thực hiện một số nghiên cứu thú vị với một nhà lí thuyết trẻ người Nga đến thăm tên là George Gamow (1904–68) về cách thức một hạt nhân có thể được giữ lại với nhau. Họ tưởng tượng nó hành xử giống như một giọt chất lỏng có thể thon dài khi các nucleon bên trong nó chuyển động. Nếu như nó đủ bị căng, thì nó có thể hình thành hai cái thùy nối lại bằng một cổ chất lỏng giữ chúng lại với nhau bởi sức căng bề mặt tạo ra bởi lực hạt nhân mạnh.

Frisch lí giải rằng một neutron thêm vào có thể làm cho giọt hạt nhân căng ra đến mức nó có thể vỡ làm hai. Khi đó, không còn lực hạt mạnh để giữ chúng lại với nhau, hai mảnh vỡ, cả hai đều có điện tích dương lớn, sẽ đẩy nhau ra và hướng theo hai chiều ngược nhau với lượng động năng khổng lồ. Năng lượng phải được bảo toàn, cho nên sự tăng động năng phải đi cùng với sự giảm năng lượng ở một dạng khác. Hai nhà vật lí ngừng đi bộ, ngồi xuống trên một thân cây, lấy ra vài tờ giấy và bắt đầu tính toán. Mô hình giọt chất lỏng Bohr và Gamow thật ra có thể vỡ thành hai hạt nhân nhỏ hơn với một số neutron còn dư nữa. Khi họ tính tổng khối lượng của các mảnh thu được, hóa ra nó nhỏ hơn khối lượng của hạt nhân ban đầu. Và khi nhân khối lượng còn thiếu đó với bình phương của tốc độ ánh sáng theo công thức nổi tiếng của Einstein, thì kết quả thu được giải thích cho sự tăng động năng.

Lise Meitner và Otto Hahn, những người bạn hợp tác lâu năm và cùng khám phá ra sự phân hạch hạt nhân, khá sớm trong sự nghiệp của họ. (Ảnh: AIP Emilio Segrè Visual Archives)

Một khi  Meitner và Frisch công bố kết quả của họ và đặt tên cho quá trình trên là sự phân hạch hạt nhân, thời gian không còn lâu cho các nhà khoa học và chuyên gia quân sự nhận ra những ứng dụng có thể có của nghiên cứu của họ. Nếu một neutron phát ra trong sự phân hạch của một hạt nhân chạm trúng một hạt nhân thứ hai, thì nó có thể làm cho hạt nhân đó cũng bị phân tách. Một sự kiện phân hạch có thể châm ngòi một phản ứng dây chuyền, giải phóng một lượng năng lượng không tưởng tượng nổi. Với thế giới đang ở trên bờ vực của một chiến tranh lớn, khoa học đã tiết lộ một kĩ thuật có thể dẫn đến một quả bom khủng khiếp.