費米開始轟擊當時排在元素周期表上最後的一個元素鈾，按照通常規律，原子核吸收一個中子後，放出β粒子，變成元素周期表中下一個位置的元素的原子核。費米推測，鈾吸收中子後，很可能會變成周期表中尚未有的超鈾元素。果然，在他們得到的產物中，有一種新的放射性元素，費米稱它為鈾X，認為它很可能是一種超鈾元素。
鈾X的發現立即引起了轟動，許多物理學家、化學家紛紛投入這一角逐，試圖解開鈾X之謎。
其中最著名的有約裏奧·居裏夫婦和他們的合作者、南斯拉夫化學家薩維奇；德國化學家哈恩和他的親密合作夥伴、奧地利籍女物理學家邁特納。
1938年9月，伊倫·居裏和薩維奇應用放射化學方法仔細分析了中子轟擊鈾以後生成的產物，發現其中有一種放射性元素性質很接近鑭，而鑭的原子序數隻有57，與超鈾元素相去甚遠。可惜的是，他們沒有抓住這個矛盾深追下去，而是匆匆忙忙發表了實驗結果，又一次錯過了一個重大發現。
12月17日，哈恩的助手斯特拉斯曼在辦公室翻閱新到的期刊，看到了伊倫·居裏的實驗報告，立即遞給哈恩。開始哈恩因學術上成見對論文不屑一顧，斯特拉斯曼隻好口述了論文最重要的地方，聰明的哈恩立即意識到，鈾X之謎就要解開，他連一支雪茄煙都沒有抽完，就和斯特拉斯曼一起向實驗室跑去。
哈恩和斯特拉斯曼一連幾天做用中子轟擊鈾的實驗，經過反複精密的實驗，都表明核反應產物中沒有靠近鈾的元素，而是兩種大小相當的元素，其中之一是鋇。
12月22日，他們把實驗報告寄給了德國《自然科學》雜誌。哈恩的心情十分矛盾，一方麵感到這是一個很重要的事實，有必要很快宣布，一方麵又感到實驗得出的結論與以往核物理實驗相矛盾，他甚至在把報告投入郵筒後，還想把它取出來。
此時，哈恩想起了與他共事三十多年的邁特納，她才華橫溢，有敏銳的批判眼光。由於她有猶太血統，在德國占領奧地利後不得不逃到瑞典避難。哈恩把實驗結果連同他的疑問全都寫信告訴了邁特納。
邁特納接到信後，立即意識到哈恩工作的重大意義。當時，她的侄子、在玻爾實驗室工作的弗立希正好來看望她，兩人對這個實驗進行了熱烈的討論，他們從玻爾不久剛提出的原子核的液滴模型受到啟發，得出結論，鈾的原子核受到中子轟擊後，分成了兩半，並用愛因斯坦的質能公式估算出核裂變時放出的能量大得驚人。
弗立希回到哥本哈根後，把哈恩的實驗和邁特納的解釋告訴玻爾，玻爾聽後，拍了一下自己的前額，遺憾地說：“我們怎麼能這麼久沒有發現這一點呢！”
當時，玻爾正動身去美國參加理論物理討論會。當他把這個消息在會場公布後，整個會場沸騰了，會議原定的議題是討論低溫物理，現在一下都轉向了核裂變。物理學家們紛紛打電話通知自己的實驗室安排實驗，結果都得到了證實。就這樣，核裂變的實驗和理論在幾個小時內就得到了世界的公認。
哈恩因發現核裂變獲得1944年諾貝爾化學獎。
點燃原子之火
核裂變現象的發現所以令科學家們激動不已，不僅是因為在裂變反應中放出巨大的能量，而且因為在裂變中會放出二三個中子，引起鏈式反應。
當費米得知核裂變的消息時，他一方麵為自己對鈾X的錯誤判斷而深感遺憾，一方麵敏銳地從中意識到更深遠的意義，他立即著手思考裂變中產生的中子能否引起鏈式反應。
經過詳細計算，費米提出，當一個中子打碎鈾核時，會放出2個中子，這2個中子又可以打碎另外兩個鈾核，放出2倍的能量和4個中子，這4個中子又可以擊碎4個鈾核，放出4倍的能量，並再放出8個中子……這樣一連串的裂變反應就可以自發地持續下去。
不僅費米、約裏奧·居裏夫婦，逃亡到美國的匈牙利物理學家西拉德也都在思考著這個問題。
他們投入了緊張的實驗，在不到2個月的時間裏，分別證實了鏈式反應不但可能，而且速率極高，兩次反應間隔的時間僅為五十萬億分之一秒，也就是說核裂變鏈式反應一旦實現，在極短的時間內就會有巨大的能量釋放出來。如果能控製它的速率，核能就能作為一種穩定的能源為人們所用。而如果對反應速率不加控製，它就有可能發生猛裂的爆炸，成為殺人武器。
核鏈式反應的發現為人們利用核能提供了可能，但要真正實現鏈式反應，還有許多困難需要克服。第二次世界大戰的爆發把它提上了議事日程。