Ферми решил, как он писал в статье «Радиоактивность, наведенная нейтронной бомбардировкой», «выяснить, не вызывает ли нейтронная бомбардировка наведенной радиоактивности — явления, аналогичного наблюдаемому супругами Жолио при облучении α-частицами». Это было неожиданно и смело. «Я помню,— писал О. Фриш,— что моя реакция и реакция многих других была скептической: эксперимент Ферми казался бессмысленным, потому что нейтронов было много меньше, чем α-частиц». В самом деле супруги Жолио и другие физики бомбардировали элементы α-частицами, вылетавшими из радиоактивного препарата. В опытах же Ферми эти частицы сначала использовались для получения нейтронов, которых получалось очень немного, а затем уже начиналось облучение элементов полученными нейтронами. «Стреляли» не «снарядами», а продуктами попадания этих снарядов. Сами «нейтронные пушки» Ферми были маленькими трубочками в несколько сантиметров, заполненными смесью бериллия и радона. Вот как Ферми описывал один из таких источников нейтронов размером всего 1,5 см: «Это была стеклянная трубочка…, в которой находились зерна бериллия; раньше чем запаять трубочку, надо было ввести в нее некоторое количество эманации радия. Альфа-частицы, испускаемые радоном, в большом числе сталкиваются с атомами бериллия и дают нейтроны…»
«Опыт выполняется следующим образом. В непосредственной близости от источника нейтронов помещается пластинка алюминия, железа или вообще того элемента, который желательно изучить, и оставляется на некоторое время, которое может составлять минуты, часы, дни (в зависимости от случая). Нейтроны, вылетающие из источника, ударяют в какие-либо из ядер вещества. При этом, происходит множество реакций самого различного типа».
В первом сообщении, датированном 25 марта 1934 г., Ферми, бомбардировавший алюминий и фтор, получил изотопы натрия и азота, испускающие, электроны (а не позитроны, как у Жолио-Кюри). Метод нейтронной бомбардировки оказался очень эффективным, и Ферми писал , что эта высокая эффективность в осуществлении расшеплений «вполне компенсирует слабость существующих нейтронных источников по сравнению с источниками α-частиц и протонов». Ему удалось этим методом активизировать 47 из 68 изученных элементов.
Воодушевленный успехом, он в сотрудничестве с Ф. Разетти и О. Д’Агостино предпринял нейтронную бомбардировку тяжелых элементов: тория и урана. «Опыты показали, что оба элемента, предварительно очищенные от обычных активных примесей, могут сильно активизироваться при бомбардировке нейтронами». Среди активных продуктов бомбардировки урана было найдено три с периодом полураспада 10 сек, 40 сек, 13 мин и еще два с периодом от 40 мин до одного дня. При этом оставалось неясным, «представляют ли эти периоды последовательные или альтернативные процессы распада».
Ферми со своими сотрудниками предпринял попытку химической идентификации β-активного продукта с периодом полураспада 13 мин. Он установил, что 13-минутная активность может быть обусловлена изотопами урана (Z= = 92), протактиния (Z = 91), тория (Z = 91), актиния (Z = 89), радия (Z=88), висмута (Z = 83), свинца (Z = 82), а также «экацезия» (Z = 87) и радона (Z = 86). Ни один из тяжелых элементов не является химическим аналогом радиоактивного продукта с 13-минутным периодом. Естественно, что Ферми и в голову не приходило сравнивать его с элементами из середины периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, и он сделал предположение, что «атомный номер соответствующего элемента может быть больше 92». Так появилась гипотеза трансурановых элементов.
Э. Резерфорд с большим интересом следил за опытами Ферми. Еще 23 апреля 1934 г. он писал ему: «Ваши результаты очень интересны, и нет никакого сомнения, что в дальнейшем нам удастся получить больше сведений о действительном механизме этих превращений». Летом сотрудники Ферми Э. Сегре и Э. Амальди были в Кембридже у Резерфорда и привезли ему обзорную статью «Искусственная радиоактивность, наведенная нейтронной бомбардировкой», авторами которой были Э. Ферми, Э. Амальди, О. Д’Агостино, Ф. Разетти и Э. Сегре. Статья содержала полный отчет об опытах, проводившихся в физической лаборатории Римского университета. Резерфорд, как президент Лондонского Королевского общества, передал статью для публикации в «Трудах» общества.
Статья появилась в том же 1934 г. В ней говорилось и о бомбардировке урана, причем в числе продуктов бомбардировки был идентифицирован еще элемент с 90-минутным периодом полураспада. «90-минутный и 13-минутный активные продукты,— говорилось в статье,— обладают, по-видимому, совершенно аналогичными химическими свойствами, так как в реакции любого типа они получаются примерно в одинаковой пропорции. Поэтому обе эти активности, по-видимому, обусловлены продуктами с атомами номером выше 92 — возможно, изотопами одного и того же элемента».
22 октября 1934 г. Ферми сделал фундаментальное открытие. Поместив между источником нейтронов и активируемым серебряным цилиндром парафиновый клин, Ферми заметил, что клин не уменьшает активность нейтронов, а несколько увеличивает ее. Ферми сделал вывод, что этот эффект, по-видимому, обусловлен наличием водорода в парафине, и решил проверить, как будет влиять на активность расщепления большое количество водородсодержащих элементов. Проведя опыт сначала с парафином, потом с водой, Ферми констатировал увеличение активности в сотни раз. В статье «Влияние водородсодержащих веществ на радиоактивность, наведенную нейтронами», написанную Ферми совместно с Э. Амальди, Б. Понтекорво, Ф. Разетти и Э. Сегре, было выдвинуто следующее объяснение этих фактов: «Нейтроны быстро теряют энергию в ряде повторных столкновений с ядрами водорода… можно ожидать, что после нескольких соударений нейтроны будут двигаться подобно молекулам диффундирующего газа, достигая в конечном счете энергий, соответствующих тепловому движению». Опыты Ферми обнаружили огромную эффективность медленных нейтронов.
Статья на тему Опыты Ферми