1938年7月，梅特涅逃往荷蘭避難，後來來到哥本哈根。玻爾接待了他，並安排了他的工作。於是用中子轟擊鈾的實驗隻能由哈恩和他的助手斯特拉斯曼來做。哈恩和助手成功地找到了不少於16種不同的放射性物質。他們使用鋇作載體將它們進行分離，找到了三種過去從來沒有發現而他們相信是鐳的同位素的產物，但幾乎所有的核物理學家對這種可能都表示懷疑。
1938年12月，哈恩感到非常困惑：“鐳的同位素”表現得極為奇特，化學性質和鋇一樣，無法與鋇分離開來。他們采用了各種途徑，幾乎將所有東西都從鋇分離出來了，唯獨不能將“鐳的同位素”與鋇分開。現在他們開始相信所謂“鐳的同位素”就是鋇。哈恩把這一結論告訴了在丹麥的梅特涅，他非常吃驚，不過他並沒有否定這種可能性。
哈恩為了證實“鐳的同位素”就是鋇，他不停地做實驗，從放射性物質的衰變產物中分離出了鑭（57號元素）。他是由鋇（56號元素）通過β衰變轉化來的，這就更加肯定了受中子轟擊後鈾原子核分裂了，轉化成鋇和其他物質。1944年，哈恩因發現重原子核而獲諾貝爾物理獎。
玻爾得知這一結論後，一下子就領悟了問題的實質：原子核分裂了。1939年1月，玻爾到美國華盛頓參加一個物理學會議。在會上，他宣布了物理學這一最新發現，整個世界為之震驚，許多著名的物理學家對裂變的結論感到不可思議。
哈恩與另一位德國物理學家弗裏茨·斯特拉斯曼合作，又開始向新的研究進軍。1938年末，當他們用一種慢中子來轟擊鈾核時，竟出人意料地發生了一種異乎尋常的情況：反應不僅迅速強烈、釋放出很高的能量，而且鈾核分裂成為一些原子序數小得多的、更輕的物質成分。剛開始哈奧本海默恩雖然意識到這不是一般的放射性嬗變，但也不敢肯定這就是裂變。他把實驗結果和自己的想法寫信告訴了梅特涅，卻得到了他的有力支持。她在複信中明確指出：“這種現象可能就是我們當初曾設想過的鈾核的一種分裂。”後來，哈恩經過多次試驗驗證，終於肯定了這種反應就是鈾-235的裂變。
奧本海默一開始認為這是不可能的，在看過示波器上顯示的原子裂變後的能量釋放的波形後，他立即改變了看法，不僅確認這是事實，而且還確定在反應中有些中子可能會放射出來，從而可以製造炸彈，產生動力。這一切都是在幾分鍾之內說出來的，而且都是正確的，可見他的頭腦反應特別快。大約一個星期後，在奧本海默辦公室的黑板上，就出現了一幅畫得很概略的炸彈草圖。無獨有偶，費米也做了同樣的推測。有一天，他望著狹長的曼哈頓島將手握成一個拳頭，自言自語地說，“隻要像這樣一顆小炸彈，這一切都會消失得無影無蹤。”
核裂變意義不僅在於中子可以把一個重核打破，更重要的是在中子打破重核的過程中能釋放出能量。核裂變的發現是釋放原子能的一聲春雷。在此之前，人們對原子核裂變釋放能量一直持懷疑態度。而鈾核裂變的發現，當時就被認為“以這項發現為基礎的科學成就是十分驚人的，那是因為它是在沒有任何理論指導的情況下用純化學的方法取得的。”