1934年，吴健雄以优异成绩从中央大学毕业，为在物理学上取得更大的成就，决定前往美国留学。
到美国后，吴健雄在加州大学伯克莱分校物理系深造。1940年获博士学位，1952年开始任哥伦比亚大学副教授，1958年升为教授，同年，普林斯顿大学授予她名誉科学博士称号……
吴健雄在加州大学伯克莱分校的导师是1959年诺贝尔奖得主赛格瑞，他非常赏识吴健雄的才能。后来，吴健雄又成为诺贝尔奖得主奥本海默的学生，吴健雄同样得到这位导师的大加赞赏。恰巧奥本海默是“曼哈顿计划”的主持人，他便推荐吴健雄加入。
事情的经过是这样的:
第二次世界大战期间,美国科学家发现,原子核分裂时会产生强大的能量,如果加以利用就能制造出一种比普通炸弹的威力厉害几十万倍的原子弹。罗斯福总统下令拨款20亿美元,设立代号为“曼哈顿计划”的原子弹研究项目。
1939年,美国两位物理学家经过研究认为,“铀核子可能分裂成两半,同时放出大量的能量”。这一信息很快传到加州大学伯克莱分校,引出了许多需要解答的问题。那时,吴健雄正好在该校与塞格瑞教授合作做实验和研究工作。塞格瑞教授建议审查在铀核子分裂时,是否会有“稀有气体”产生。但此时赛格瑞教授要去纽约探望老朋友费米教授，吴健雄便单独进行研究，并写出相关论文。
在这期间,担任“曼哈顿计划”指挥官的费米教授在华盛顿省汉佛城建立了原子炉。原子炉的连续反应在开始几个小时后,莫名其妙地停止了。费米教授猜想,可能是在原子分裂时,产生出一种物质把大多数的中子吸收了,因此停止了连锁反应。塞格瑞教授对费米说:“你去问吴健雄女士吧!”费米找到吴健雄,取得了守密的博士论文。原来,原子炉停顿的原因,正是吴健雄的博士论文中研究原子核分裂时所找出的“稀有气体”之一,这种“稀有气体”毒杀了连锁反应。知道了原子炉停顿的原因,很容易地就找出了“解毒
剂”,原子炉又开始正常运转。结果,第一颗原子弹终于在美国首先试制成功。正是因为吴健雄的研究成果，使美国原子弹研制取得了突破性进展。
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