起初，這把鑰匙並不是十分順手，經常發生卡殼的現象，費米和夥伴們要完善這把鑰匙。1934年9月的一天，費米及其助手發現了一種十分奇怪的現象，兩個年輕人用中子源輻射銀，他們做了一個銀質圓筒，把中子源放入圓筒內，然後他們把圓筒放在一個鉛盒裏。他們經過精確地計量觀察到：把銀筒放在鉛盒的不同位置，產生的裂變強弱是不同的，他們趕緊去請教費米。
“這種異常是不是統計的錯誤和測量的不精確造成的呢？”助手問道。
“這也許是一個重要發現。”費米搖了搖頭，謹慎地建議說，“讓我們多做一些各種情況的試驗。”
經過一連幾天的試驗，費米他們又發現了更多的怪現象。當把中子源放到圓筒外麵，筒和中子源之間放置一塊鉛板的時候，反應更加劇烈。當時，費米他們使用自製的蓋革計數器，來測量核反應的強弱，鉛竟然會影響核反應的強弱，費米陷入了深深地沉思。
“既然鉛是一種重物質，可以影響裂變，那麼換成輕物質會怎麼樣呢？對，試試輕物質，先試試石蠟吧！”費米心想。
10月22日早上，費米找來了一大塊石蠟，在上麵挖了一個洞，把中子源放到洞裏，再輻射銀圓筒，然後拿著一個蓋革計數器去測反應產生的放射性。“哢，哢”計數器發了瘋似的響起來。人們怎麼也沒有想到，石蠟竟使核反應提高了幾百倍。
人們又興奮、又驚訝，七嘴八舌地議論道：“真是不可思議！實在讓人難以想象！簡直是見鬼了！”
午飯的時間到了，人們不情願地散開了，費米獨坐在實驗室裏，頭腦中還思考著剛才的實驗結果。
終於，費米從中悟出了一個道理，石蠟中的氫核，使中子速度減慢，使原子核更容易俘獲中子，而發生裂變。使反應速度驟然加快的直接原因，是氫核的緩速（減速）作用。費米激動地向夥伴們講述了自己的推斷，最後判決似的說：“可以這樣說，任何其他含氫原子較多的物質，比如水，都應該產生同石蠟同樣的效果！”
“水？！”夥伴們驚訝得瞪圓了眼睛。
“是的，水，數量可觀的水。”費米沉著地說，並提議馬上到實驗室後麵的金魚噴水池那裏去做試驗。
當天下午，大家一起動手，把中子源、計數器和銀圓筒，從樓裏搬到噴水池。實驗結果完全證實了費米的預見：水也使中子減慢而使銀的放射性增強。人們狂呼起來，這一切意味著原子物理又向前跨進了一大步。後來終於證明普通中子（快中子）進行核反應時產生的放射性元素不多，而用慢中子卻可以激活百倍以上。
這時的費米已經把鑰匙插進了原子能的大門，隻需轉動一下，大門就會打開了。然而，意大利法西斯的反猶太法令，直接株連費米夫人和他們的兩個孩子。不管怎麼樣，移居國外的問題已經緊迫地擺在費米一家人的麵前了。1938年冬天，費米一家決定利用到斯德哥爾摩接受諾貝爾物理學獎的機會，擺脫墨索裏尼的法西斯統治。1939年，他們踏上了美國的海岸。
這一年初，一個叫人震驚的科學發現傳到美國：德國物理學家哈恩和斯特拉斯曼在柏林用慢中子轟擊鈾之後，發現核裂變過程中釋放出大量的核能。由於當時正處於第二次世界大戰期間，人們立即產生了一種緊迫感，甚至恐慌感。很顯然，核裂變在德國被發現，很可能使德國人利用原子能製造出某種爆炸物。這對於像費米那樣的一些剛剛逃離法西斯魔爪的科學家來說，更是憂心忡忡。
為了這一緣故，他們商定不再發表有關實驗的論文。1939年7月，美籍匈牙利物理學家西拉德等人，找到愛因斯坦，希望憑借他的名聲給羅斯福總統寫信，敦促美國政府馬上研製核武器，趕在希特勒之前。8月，幾位在美國的科學家，由愛因斯坦簽名，寫信給羅斯福，陳述了鈾裂變有可能被用來製造出威力空前的炸彈的問題，並特別提到了納粹德國正在進行的工作，敦促羅斯福做出研製核武器的計劃……
1941年春，費米和西拉德等人以石墨作為減速劑，著手搞起一個小小的反應堆，初步積累了一些數據，解決了一些技術難題。