費米第一個成就係提供數學的方法以描述某些次原子的行為,就在那時候另一位科學 家狄拉克(P.Dirac)也進行同樣的研究,所以在核子物理上稱為費米—狄拉克統計力學。他 的第二個成就是成功地解釋在貝他衰變過程會產生新的粒子,他稱為微中子。

  雖然在理論物理方面他有卓越的成就,但是在實驗方面的成就卻是使他最負盛名的原因。當約里奧— 居里夫婦(居里夫人的女婿與女兒)用阿伐粒子撞擊鋁而產生人工放射核種時,費米也確認查兌克新近發現的中子可提供一方法,從較高原子序數的靶產生放射核種。費米注意到當在一 木造的桌面上撞擊靶時,會誘發較高的活度,他歸納上述的觀察,認為中子的速度經木材 散射而慢下來以後,誘發靶的活度更為有效。他也認知用中子撞擊鈾後會有潛力產生新的 元素,稱為超鈾元素。由於他發現新的放射性元素以及用慢中子進行實驗,終於榮獲1938 年諾貝爾物理獎。

  實際上所謂新元素並不新,它們只是分裂產物,由鈾分裂而產生的。費 米獲獎後不久,離開義大利而前往美國,任職於哥倫比亞大學。他進行了一連串的實驗導 致建造第一個核反應堆(俗稱原子爐)CP-1,也是第一個達成自持鏈反應的控制。這事件發 生於1942年12月2日,地點為芝加哥大學斯德球場西側看台下的手球場。費米為第一位能 控制核分裂的科學家。