1934年，吳健雄以優異成績從中央大學畢業，為在物理學上取得更大的成就，決定前往美國留學。
到美國後，吳健雄在加州大學伯克萊分校物理系深造。1940年獲博士學位，1952年開始任哥倫比亞大學副教授，1958年升為教授，同年，普林斯頓大學授予她名譽科學博士稱號……
吳健雄在加州大學伯克萊分校的導師是1959年諾貝爾獎得主賽格瑞，他非常賞識吳健雄的才能。後來，吳健雄又成為諾貝爾獎得主奧本海默的學生，吳健雄同樣得到這位導師的大加讚賞。恰巧奧本海默是“曼哈頓計劃”的主持人，他便推薦吳健雄加入。
事情的經過是這樣的:
第二次世界大戰期間,美國科學家發現,原子核分裂時會產生強大的能量,如果加以利用就能製造出一種比普通炸彈的威力厲害幾十萬倍的原子彈。羅斯福總統下令撥款20億美元,設立代號為“曼哈頓計劃”的原子彈研究項目。
1939年,美國兩位物理學家經過研究認為,“鈾核子可能分裂成兩半,同時放出大量的能量”。這一信息很快傳到加州大學伯克萊分校,引出了許多需要解答的問題。那時,吳健雄正好在該校與塞格瑞教授合作做實驗和研究工作。塞格瑞教授建議審查在鈾核子分裂時,是否會有“稀有氣體”產生。但此時賽格瑞教授要去紐約探望老朋友費米教授，吳健雄便單獨進行研究，並寫出相關論文。
在這期間,擔任“曼哈頓計劃”指揮官的費米教授在華盛頓省漢佛城建立了原子爐。原子爐的連續反應在開始幾個小時後,莫名其妙地停止了。費米教授猜想,可能是在原子分裂時,產生出一種物質把大多數的中子吸收了,因此停止了連鎖反應。塞格瑞教授對費米說:“你去問吳健雄女士吧!”費米找到吳健雄,取得了守密的博士論文。原來,原子爐停頓的原因,正是吳健雄的博士論文中研究原子核分裂時所找出的“稀有氣體”之一,這種“稀有氣體”毒殺了連鎖反應。知道了原子爐停頓的原因,很容易地就找出了“解毒
劑”,原子爐又開始正常運轉。結果,第一顆原子彈終於在美國首先試製成功。正是因為吳健雄的研究成果，使美國原子彈研製取得了突破性進展。
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