裂變反應的發現震驚了科學界，因為它說明鈾分裂的時候可以放出兩個中子，而這兩個中子又可能引起兩個鈾核分裂，這樣就能夠從一個鈾核裂變引起2、4、8、16……個鈾核裂變。這是鏈反應，它將釋放出無比巨大的能量。鈾裂變的發現，找到了釋放原子能的途徑，即通過鏈反應，不斷供給核分裂所需要的大量中子。
向現實的邁進
原子核發生裂變會放出極大的能量，每個原子核都是一個能量貯存庫，關鍵是怎樣打開能源寶庫的大門。費米和助手們發現的“鈾核裂變”，為打開原子能的寶庫提供了一把“鑰匙”。
起初，這把“鑰匙”並不十分順手，經常發生卡殼的現象，費米和他的助手們要完善這把“鑰匙”。有一次，費米的兩名助手發現了一種奇怪的現象，這兩位年輕人想用中子源輻射銀，他們做了一個銀質圓筒，然後將中子源放入圓筒內，再將圓筒放在一個鉛盒裏。他們經過精確的計量發現：將圓筒放在鉛盒的不同位置，產生裂變的強弱是不同的。他們趕緊去請教費米老師。
“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。
“這也許是一個重要的發現。”費米思考了一會兒，又謹慎地建議道：“讓我們多做一些各種情況的試驗，再看看。”經過一連幾天的試驗，費米他們又發現了更多的怪現象。當將中子源放到圓筒外麵，在圓筒和中子源之間放置一塊鉛極時，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，費米又陷入了沉思，“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，試試輕物質吧！”費米找來一大塊石蠟，在上麵挖了一個洞，將中子源放到洞裏，再用它來輻射銀圓筒，然後拿著一個蓋革計數器去測量反應產生的放射性強度。“哢，哢”，計數器像發了瘋似的響起來。人們怎麼也沒有想到，石蠟竟使核反應強度提高了幾百倍。
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，費米獨自坐在實驗室裏，頭腦還在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，這樣原子核更容易俘獲中子，而發生裂變。
因此，使反應速度驟然加快的直接原因，是氫核的緩速作用。
費米激動地向助手們講述了自己的推斷，最後堅定地說：“可以肯定，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！”當天下午，大家一起動手，把中子源、計數器和銀圓盤從樓裏搬到噴水池。實驗結果完全證實了費米的預見：水也會使中子減慢速度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。它證明普通中子（快中子）進行核反應時產生的威力不大，而用慢中子卻可以激活百倍以上。由於發現慢中子效應，費米獲得了1938年的諾貝爾物理獎。
費米對鈾核裂變及慢中子效應的兩個重要發現，奠定了他後來設計第一座原子反應堆的部分理論基礎。當時費米已經把鑰匙插進了原子能開發的大門，隻需轉動一下，大門就會打開了。然而，由於費米的妻子是猶太人，意大利法西斯的反猶太法令，使他全家無法在意大利生活，1938年冬天，費米一家利用到斯德哥爾摩接受諾貝爾獎的機會，踏上了美國的海岸。在美國，費米為原子能的利用又做出了更為重要的貢獻，在那一段驚心動魄的歲月裏，原子能的研究終於走出實驗室，開始了“真刀真槍”地實戰階段。然而不幸的是，在當時的曆史條件下，由於法西斯侵略戰爭的緊迫，這項重要的科學發現沒有為人類開辟新能源造福，卻導致破壞威力巨大的原子彈的誕生。
“曼哈頓計劃”
裂變反應正好是在第二次世界大戰的導火線已經點燃的時刻發現的。當時的人們都有一種緊迫感，甚至恐慌感。很顯然，核裂變最初是在德國被發現的，德國人很可能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。1939年春天，費米決定去拜訪美國海軍部，報告關於核裂變的研究情況，可是沒有引起海軍部門的重視。