经过认真的思考，迈特纳认为，受中子轰击的铀核的确分裂成两半。而铀核是如何分裂的呢？弗里施想起玻尔（1885—1962年）的原子核模型——液滴模型。
按照玻尔的理论，原子核像一个液滴，核内的中子和质子之间的相互作用就像液滴的“表面张力”，这种“表面张力”——核力——可以使原子核保持一种圆球形状。当铀核俘获中子后，使铀核获得了额外的能量，这种能量使铀核发生颤动，就像液滴受到轰击而颤动一样。由于中子的能量不同，有的中子被铀核吸收后还能恢复原状，并辐射β射线；有的中子被铀核吸收后就要伸长变形，就像一个哑铃，而无法恢复原状，进而使铀核分成两半。
铀核分成两半，并不是每个都一样，也就是说，并不一定每次分裂的位置都一样。这也就是为什么裂变的产物如此不同和如此复杂。不过仍有一些较常见的分裂方式，其产物是钡（原子序数为56）和氪（36）、碘（53）和钇（39）。
迈特纳和弗里施将他们的研究结果写成论文。弗里施回到哥本哈根之后，将文章送给了玻尔。玻尔对迈特纳和弗里施的研究表现出了异常的激动，他说道：“啊！我们好笨！我们早就该看到这一点了！”当时在哥本哈根工作的美国生物学家阿诺德（1904—？）提议，把铀核分裂现象仿照活细胞一分为二现象称作裂变，并且沿用下来。这时，玻尔准备去美国参加学术会议。
当迈特纳与弗里施的文章发表之时，玻尔已到美国出席会议。他向与会代表告知核裂变消息之后，物理学家们非常兴奋，并立刻到实验室进行了验证，几周内，他们一再证实了核裂变现象。
关于核裂变现象，有一个惊人的事实，这就是它能释放出巨大的能量。在20世纪20年代，卡文迪许实验室的物理学家阿斯顿（1877—1945年）曾指出，当很重的原子核转变为较轻的原子核时，由于质量亏损的变化，将会放出能量。如果铀核按照通常的放射性衰变成较轻的铅核，有相当的能量释放出来；而如果铀核分裂为两块，变成轻得多的钡核和氪核，所放出的能量则要大得多。
作为核能的利用，核裂变现象的发现只是迈开的第一步，当然是重要的一步。人们从这一步看到了光明的前景。然而，少量的铀核裂变能量是很小的，没有实用的价值。能否利用核能，关键是要保证核裂变必须连续进行。铀-235核发生裂变可产生2～3个中子，这些中子可引发其他铀核发生裂变；裂变又使每个铀核产生2～3个中子，这些中子再引发新的裂变。这样发生的铀核裂变和产生的中子会使裂变持续下去。这种依次产生的核裂变过程就被称作自持链式反应。
如果能够产生这种自持的链式反应，我们就可以得到铀核不断释放的能量。当铀-235从第一个铀核开始裂变、并裂变到第60代时，就有280克的铀-235发生核裂变，所释放的能量相当于600～700吨煤炭燃烧释放的能量。
由此可见，决定铀-235核能否持续发生裂变的关键是，每次裂变产物中新中子的数量。此外，新中子在打击其他铀核时并非总是奏效的，有时周围的一些材料也要吸收中子，这就减少了发生裂变的可能。因此，要保持核裂变的自持链式反应，还要保证每次裂变产生的新中子数中至少要有一个使其他的铀核发生裂变。这就要求某一代中子的数目必须大于上一代的中子数目，即中子的增殖系数要大于1。
计算铀-235核裂变放出的能量并不难，先测量裂变前后的质量（单位为原子质量单位）变化，而后利用爱因斯坦的质量-能量关系式E=mc2就可以算出核裂变释放的能量。按照爱因斯坦公式计算，一个原子质量单位相当于931.2兆电子伏特的能量。按上面计算的结果，0.215原子质量单位相当于200兆电子伏特的能量。这说明1个铀-235核就可以释放能量200兆电子伏特。进一步计算，每千克铀-235释放的能量就相当于2700吨优质煤燃烧释放的能量。这说明，单位铀燃料释放的能量是单位优质煤释放能量的270万倍。
核武器的发展
就在哈恩发现核裂变时，德国法西斯政权的排犹政策使大批犹太科学家被迫离开德国。像迈特纳就是这样离开德国的。爱因斯坦的一个学生西拉德也是犹太人，所以也离开了德国。
核反应的军事应用潜力很大，西拉德对此有清醒的认识，而德国法西斯是一群战争贩子，这些研究会加强他们的战争机器。为此，西拉德想了一个主意：能否将这些核研究保密起来。具体的保密手段可以借用专利登记的办法，并把这个专利权交给英国政府，借此来约束德国纳粹的战争手段。但西拉德的努力失败了。
西拉德的担心并不是没有道理的。希特勒取得政权之后，立即开始武装德国，并投入巨资研制威力空前的武器。德国也具有雄厚的研究基础，国家有一大批世界一流的科学家。战争期间，德国的火箭研制取得了极大的发展，并对敌对国家产生了极大的威胁。德国也开始了核武器的研究计划。1939年，德国召开研制铀设备会议，并成立“德国铀协会”和“德国原子俱乐部”，以及受德国研究委员会领导的核研究机构。1940年，德国军方调集著名科学家制定了详细的核研究计划，其中就有海森伯（1901—1976年）。当时人们普遍认为，依德国的工业实力、科技水平、提炼核燃料的能力，造出原子弹只是一个时间问题。
1940年，由于欧洲的战争全面爆发，西拉德说服了流亡到美国的两位匈牙利物理学家威格纳（1902—？）和特勒，他们三人一同找到爱因斯坦，向爱因斯坦说明核裂变的潜在能力，以及它对德国纳粹的重要作用。希望美国抢在德国前面，加紧研制裂变武器，他们说服爱因斯坦同意签署一封信，向美国总统说明核武器的意义，以及德国纳粹掌握它的危险性。这样，罗斯福总统就下令组织一支庞大的研究队伍，开展核武器的研制工作。这就是命名为“曼哈顿工程”的核武器研制计划。
第一座核反应堆
1938年，意大利物理学家费米去瑞典接受诺贝尔物理奖。借此机会，费米来到了美国。在“曼哈顿工程”进行的初期，在美国哥伦比亚大学开始对建造核反应堆进行研究，并由诺贝尔奖获得者康普顿（1892—1962年）主持这项计划，在芝加哥大学进行安装和试验。在讨论设计方案时，费米和西拉德主张把铀块放在用石墨摆成的矩阵中，石墨与铀块交错排列，保证最经济地利用中子。在这种方格栅的矩阵中，中子可以穿过石墨、碰撞铀块。所以用石墨作慢化剂，是因为当时可以很容易地将石墨提炼到很高的纯度，并且其工艺也很成熟。当时还建立了30多座核反应装置，以解决研究中碰到的各种问题。
1942年初又成立了冶金实验室（后来发展成为今天的阿贡实验室），在这个实验室中，由费米负责实验核物理组，威格纳负责理论组，此外还有化学组。
经过理论与实验的论证，1942年7月，决定建立第一座核反应堆。到10月正式开始建造，因为这时已经得到几吨高纯度的金属铀。
这座反应堆建在芝加哥大学运动场看台底下的一个网球室内。网球室长16米，宽9米。反应堆的结构非常简单，共有30层石墨，石墨层之间铺放铀燃料。反应堆的底部呈正方形，顶部呈圆形。为了反应堆的安全，在反应堆的周围套上了一个充满空气的胶皮大口袋。如果中子太多，可将口袋抽成真空，进而让中子泄漏出去，使核反应缓和下来。实际上，这个口袋从未使用过。
除了大口袋，为了安全起见，还设计了3组安全系统。一组是自动控制棒，在电动机带动下，控制棒可上可下；一组是一根手动控制棒，用手抽出或插入控制棒，以控制反应的速度；一组是用绳子拴住的紧急安全棒，当链式反应过于激烈时，就砍断绳子，控制棒落入反应堆中大量吸收中子，以迅速中止核反应。此外还有一组人员，手拎一桶镉盐溶液，镉盐也可以大量吸收中子，以迅速中止核反应。
1942年12月2日，8∶30，科学家们各就各位。
9∶45，试验开始，计数器“嗒嗒”作响，并且逐渐增加。说明核反应开始。
到10∶37，费米命令抽出部分控制棒，并不断使抽出的控制棒部分增加。这时的“嗒嗒”声更紧，但并无规则。
11∶25，反应堆虽未到自持链式反应的程度，费米认为已达到关键的时刻，并将控制棒部分回落入反应堆中。
11∶35，控制棒再度抽出，核反应再度剧烈起来。这时反应突然中止了，原因是安全标准定得太高了，使反应堆工作自动中止。
午饭之后，14∶30，实验再度开始。实验井然有序，费米用计算尺计算反应堆中中子增长的速度。最后，反应堆反应加快，以至于计数器的“嗒嗒”声响连成一片，听上去成了“嗡嗡”声。这时，费米合上计算尺，向大家坦然地讲道：“反应堆已经达到自持链式裂变反应”！记录纸上指示的曲线也表明了这一点。
15∶52，费米命令放下安全棒，初步的实验完成了，并达到了预想的目的。实验还表明，对反应过程控制自如。
实验成功了。科学家们的内心充满了喜悦的心情，在人类第一次点燃的核反应堆旁静静地守候了28分钟。这时，威格纳拿出一瓶基安提酒，大家分享了庆功酒之后，在瓶子的商标上签字留念。接着，康普顿挂长途电话向哈佛大学校长、国防研究委员会主席科南特报告实验情况。他用暗语说道：“意大利领航员已经登上新大陆。”科南特问道：“土人对他态度如何？”康普顿答道：“十分友好。”
铀-235的链式反应
也许是偶然的巧合，1492年，意大利航海家哥伦布登上了一片未知的新大陆，而今（1942年），另一位“航海家”又登上了一片更加广阔的未知的“新大陆”。
附带说一句，费米主持建造的反应堆是用石墨块逐层堆积起来的，因此将它称之为“堆”，英语是“pole”。后来，随着核科学技术的不断发展，堆的类型不断增加和不断改进，已失去了原来“堆”的面貌和形象，因此，国外已改用“反应器”，即“reactor”。为免去歧义，我们现在仍然沿用旧称。
钚的发现
作为原子弹的装料，钚-239具有同铀-235一样的作用。作为反应堆的燃料，钚-239的裂变性能比铀-235还要好。在快中子反应堆中，一个钚-239原子可相当于1.4个铀-235原子放出的能量。
从元素周期表上可以知道，钚是第94号元素。这是一种“天然”元素，并存在于铀矿中。当铀-235自发裂变时，产生的中子一旦被铀-238俘获就变成了钚-239。但这种机会极小，因此，铀中存在的钚含量只有一千亿分之一。所以，取得钚只能依靠人工的办法。
钚共有15种同位素，即钚-232、钚-234.、钚-235、……（连续地一直到）钚-246。世界上首次获得人工制取的钚是钚-238。
钚的生产是在核反应堆中进行的。最早进行这方面研究的是美国。1942年，美国成立冶金实验室时集中了2000多人从事钚生产的研究，并拨款3.5亿美元，以支持其研究。
生产钚的反应堆是以天然金属铀做燃料的。一般来说，烧掉7个铀-235原子可以得到5个钚-239原子。由于生产钚时会产生大量热量，如果这些热量白白跑掉是很可惜的。所以，科学家就将发电和生产钚结合起来。像我国的秦山核电站（装机容量300兆千瓦），每年发电20亿千瓦时，同时可生产和积累新的核燃料钚80千克。
核武器种种
原子弹在西拉德和爱因斯坦等人的建议下，美国的“曼哈顿工程”终于启动了。这是一个以军事应用为目的的大规模的研究计划，为此，美国政府动员了数十万人，投资达20亿美元。
原子弹的核装料主要是铀-235和钚-239。铀-235的生产技术是非常复杂的。最困难的是将铀-235与铀-238分离开，而且耗电量极大。据说，美国橡树岭的工厂分离铀-235和铀-238的设施一工作，由于耗电量相当于纽约市的耗电总量，当地的电灯发光就不稳定，忽暗忽亮的。这些设备的投资也达几亿美元。尽管如此，全厂连轴转地生产，每天只能分离出几十克铀-235。可见代价之昂贵了。所以。在最初建造的3颗原子弹中有2颗是采用钚-239装料的，铀弹只有一颗。
原子弹的结构并不复杂。核装料在弹体中要分成几块安装，每一块的体积要小于“临界体积”。所谓“临界体积”就是使核反应能持续进行的一个最小的体积限度。如果要是大于临界体积，当有偶然“闯入”的中子（比如说，宇宙线中“自由”的中子），就可能引起链式反应。弹体内还装有普通炸药，它的作用是，先将普通炸药引爆，爆炸的挤压作用使核装料迅速合拢，其体积超过临界体积。弹体内的中子源放出中子引起链式反应。这时，铀-235（或其他裂变材料）被一个中子击中后会分裂成两半，并释放2～3个中子和2个γ光子，以及伴随大量的能量。裂变产生的中子还可以打击别的铀-235，如此不断的裂变就像一个又一个链环被解开，所以称此反应为（核裂变的）链式反应。在这样的反应过程中，经过300代就可使1千克铀-235全部裂变完。每一次裂变的时间极短，只需100亿分之一秒；1千克铀-235只需百万分之一秒就完成了，而放出的能量相当于2万吨的梯恩梯炸药爆炸产生的能量。爆炸时会依次产生闪光、火球和蘑菇状烟云、强烈的冲击波、以及巨大的声响。
到1945年，生产的钚-239和铀-235已足够生产原子弹了。最后一步工作是在新墨西哥州的洛斯阿拉墨斯小镇上装配原子弹。这个小镇有一个“原子弹之父”奥本海默（1904—1967年）领导的秘密实验室。7月16日凌晨5时30分，在新墨西哥州的实验场上空爆炸了第一颗原子弹。人们先看到一道闪光，接着巨大的火球慢慢地扩展开来，并形成了一个巨大的蘑菇云。一般来说，爆炸的闪光过后会立即产生一个明亮的高压高温火球，并很快变为扁球形。火球迅速膨胀，温度不断降低，火球逐渐变成灰白色或棕褐色的烟云。烟云上升时不断扩大，这时在地面上形成一个巨大的尘柱。随后烟云和尘柱连接在一起，远看上去就是一个“蘑菇云”。这个蘑菇云可上升到几千米乃至几十千米的高空。
在观察那壮观的蘑菇云的同时，许多测试人员利用仪器测量着各种数据。这时的费米跃出掩体将小纸片抛过头顶。纸片在气浪的推动下飞去，费米大致测量了一些简单的数据，然后向大家说道，爆炸当量相当于2万吨梯恩梯炸药。这与实测结果非常吻合。大家对费米的才能感到惊奇与钦佩，钦佩他对物理规律的理解能力和估测能力。