1918年夏天，费米经过激烈的竞争考进了著名的比萨皇家师范学院物理系。对付大学里的课程对他来说是异常轻松的，勇于探索的进取心促使费米把大量的时间用来扩展物理学和数学方面的知识。四年以后，费米以优异成就获得了物理学博士学位，并取得了意大利政府的奖学金，去德国继续深造。这一期间费米对分子、原子和电子的运动很感兴趣，发表了不少研究性的论文，他被聘担任罗马大学理论物理讲座的首席主讲。
1934年，法国物理学家伊琳娜·居里（居里夫人的女儿）和约里奥夫妇宣布他们发现了人工放射现象：稳定的原子核，在高速的α粒子的轰击下，变成了放射性的核。例如他们用α粒子轰击一种轻金属铝（我们用来烧水煮饭的“钢精”锅就是铝制的）竟使它变成了硅30（一种半导体），继而又变成了磷30。这是13年来关于人工实现核反应的第一次突破。不仅是铝，其他的一些轻元素在α粒子的轰击下也会有放射性。可是对于重元素来说，α粒子就不起作用了，怎样才能使重元素也具有放射性呢？费米想到用中子作炮弹！
实验很快在费米领导下的集体中进行了。他们用中子轰击元素周期表上各个元素后，获得了三十几种新的人工放射性元素。这是项了不起的成就，可是费米并不以此为满足，几个月后，他又在考虑怎样使轰击效果更好。
费米做了著名的“金鱼池里的试验”。他在花园的金鱼池旁，用中子袭击水，池里可爱的金鱼对于阵阵袭来的中子毫不在意，慢条斯理地在水中游着。可是来
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