从上面两个具体的例子可以看到，氟被激活后，变成了氖，氖的原子序数比氟大1；铝被激活后，变成了元素矽，矽的原子序数比铝大1。当时周期表上原子序数最大的元素是铀，原子序数为92。假如中子能把铀激活后也放出一个β粒子，则可以得到原子序数为93的超铀元素。
当时人们知道的最重的原子是铀，它的原子核有92个质子，中子有143个到146个不等。大家很喜欢拿中子去打铀，希望铀原子核吸收中子后放一个电子，这样就能得到质子数为93的新元素（也就是具有不同化学性质的新原子核）。
但是在用中子照射原子序数为90的钍与原子序数为92的铀时，却出现了异常。照射钍时，发现了两种以上不同半衰期的放射性，照射铀则发现了四种以上不同半衰期的放射性。
用中子照射元素引起的反应，除通常吸收中子后放射β粒子以及上面所举的磷31吸收中子后放出质子的情况外，还可以有吸收中子后放出α粒子的反应。费米他们在用中子照射各种元素时，这些反应都分析出来了。他们觉得用中子照射各种元素时，除了发射氢核与氦核外，不可能再有其他核反应能被观察到。费米在物理理论上也有很高造诣，从理论上看，带电粒子从核分离必须克服强大的库仑位垒的作用，不可能有比α粒子更大的粒子放出。因而对中子照射钍和铀出现的奇怪现象，费米得不出很好的解释。
他们不会用化学分析的方法来看看变成什么了吗？
在20世纪30年代，中子源的强度比较弱的情况下，要准确地确定反应物的化学性质不是一件容易的事。因铀本身具有放射性，必须不断用化学清洗方法来除去它的衰变产物；在中子轰击铀所得的四个放射性中，他们对半衰期为15分钟及90分钟的两个放射性研究得最详细。他们发现，这两种物质能用化学方法与原子序数从82（铅）到92（铀）的元素分开，而且它们两个也能彼此分开。按照费米等对所有元素研究的结果得出的经验，他们认为，这两个元素可能是超铀元素。但也只是可能，还没有把握肯定。虽然很多奇怪现象没有弄清楚，他们还是写了一篇叙述他们可能发现93号元素的一些迹象的报告给《科学研究》杂志。
这里，费米他们犯了一个可以理解的错误，他们预期93号元素应该与铼（Re）相似。当时还不知道锕系族存在，则93号正好排在铼下面，与序数为43的锝（Tc）以及原子序数为25的锰（Mn）同属VIIB系，用门捷列夫的话说，为一准铼元素；但实际上，这是裂变的产物，是原子序数为43的锝（Tc）的同位素，当时，周期表上锝的位置还空着，三年后，由化学家皮里尔与瑟格勒用其他方法发现了锝，证明了其性质的确与铼很相似。当时费米他们把锝以为是原子序数为93的超铀元素了。
部分元素周期表
发现超铀元素是件大事，参议员科比诺在国王出席的林赛科学院会议上发表了一篇演说，认为他的“孩子们”已经发现铀后元素了。他的演说引起了当时法西斯执政的意大利轰动。法西斯报纸大肆宣传什么“法西斯主义在文化领域的胜利”。当时费米感到很不安，他不赞成科比诺这样做，他觉得要说发现了93号超铀元素为时太早，还有很多问题没有弄清。
1934年秋天，在一个偶然的机会，费米他们发现用慢化了的中子照射元素时获得放射性要比快中子效率高得多。
怎样把快中子慢化？
有一次一个年轻的学生与阿玛尔迪做用中子照射某些金属的实验，他们总是把被照射的金属做成圆筒，将中子源放在圆筒中间，为了不让圆筒产生的放射性射线伤害人的身体，将圆筒放在铅盒里。他们在做实验时，发现圆筒放在铅盒的不同地方——中间或边缘——圆筒出现的放射性不同。百思不得其解，跑去问费米，费米让他们在中子源与圆筒之间放上各种物质试试。结果发现石蜡的效果最明显，即中子经过石蜡后效果更好了。费米又建议中间用水，要用数量可观的水。他们这些人对做实验是兴趣很大的，任何困难都难不倒他们，他们把实验放到柯比诺的私人花园的喷水池中去做了。结果发现大量的水的效果与石蜡一样可观。费米得出结论，这是由于中子经过石蜡和水后，中子与石蜡和水中的质子（即氢核）碰撞，损失了能量，快中子成为慢中子的缘故。因为石蜡和水都是含氢很多的物质。
为什么一定要与质子碰撞才损失能量？
并不是只有与质子碰撞才损失能量，而是与质子碰撞，中子的能量损失最快。打个比较极端的比方吧！一个大铁球若高速滚动着与一个静止的小乒乓球碰撞，虽然可以把小乒乓球碰得运动起来，但基本上不会对大铁球的运动有太大的影响，也就是说大铁球的能量损失很少。若一个高速滚动着的小乒乓球，与一个静止的大铁球碰撞，大铁球也许只摇晃一下，乒乓球可能被碰得换了方向，但运动的能量几乎没有损失。这说明了中子与小得多的粒子相碰或与大得多的粒子相碰，都不会损失很多能量，而只有与自己质量差不多的粒子相碰，能量才损失的比较多，这在力学上是不难计算的。
那为什么慢中子照射后使元素变成放射性的效果要好呢？
一种本来不是放射性的元素，被中子照射后成为放射性是因为吸收了中子。若把吸收中子的过程想象为一个高尔夫球掉进洞穴中，则一个慢慢滚动的高尔夫球掉进洞穴中的机会要比一个高速滚动的球大得多。当然这只是一个比喻，中子与核的作用要复杂得多。
发现可以把中子慢化，并且元素吸收慢中子的效率更高以后，费米转向用慢中子做试验。由于中子核反应的发现，以及在中子核反应问题上做出了杰出的成绩，费米获得1938年诺贝尔物理学奖。
当时，意大利处在法西斯的统治下，费米在罗马只待了12年。1938年夏，意大利公布了种族法律，虽然不直接影响费米，但他的妻子出身于犹太家庭。在1938年12月初，费米带着全家到斯德哥尔摩去领取诺贝尔奖金，不再回意大利，从瑞典直接到了纽约，他已经在哥伦比亚大学获得一个教授位置。
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