梅特纳和弗瑞士决定将他们两人讨论的结果，合作为一篇论文。当时，在哥本哈根，有一位弗瑞士的朋友，他叫阿诺德，是美国生物学家。他了解到梅特纳和弗瑞士正在研讨的新问题以后，很感兴趣。他说，根据你们所形容的，原子核就像一滴液滴，它被中子击中以后，就分裂成为两个原子核，这种情形，多么像我在显微镜下面看到的细胞繁殖时的分裂现象啊！想不到原子核也会分裂，大自然的结构是多么的相似，又是多么微妙啊！
梅特纳和弗瑞士听了阿诺德的一番议论，很受启发，他们正在寻找一个合适的名词，来表示原子核被打破而分裂的现象，现在他们认为，就用细胞分裂的“分裂”（在英文中，原子核的“裂变”和细胞“分裂”，两个名词都叫siffion。）这个名词，来表示原子分裂，把它称做“核裂变”，或“原子分裂”。
梅特纳认为：“由此可以看出，这似乎是可能的，铀原子核在结构上仅具有很小的稳定性，在俘获中子以后，它可以将自身分裂为两个体积大致相等的核。这两个核将相互排斥（因为它们都带有巨大的正电荷），并且能获得总共约为两亿电子伏特的能量。”
至于弗瑞士，他后来描写当时的情况说：“我们逐渐清楚了，铀原子核破裂成两个几乎相等的部分……可以说是完全按照一定的形式发生的。情况是这样的……原始的铀原子核逐渐变形，中部变窄，最后分裂成两半。”这种情况与生物学上细胞繁殖的分裂过程非常相似，这使我们有理由把这种现象在自己的第一篇报告中称为‘核分裂’。”
梅特纳对此很感兴趣。后来，她用数学方法分析了实验结果。她推想钡和其他元素就是铀原子核的分裂而产生的。但当她把这类元素的原子量相加起来时，发现其和并不等于铀的原子量，而是小于铀的原子量。
对于这种现象，唯一的解释是：在核反应过程中，发生了质量亏损。怎么去解释所发生的亏损现象呢？梅特纳认为，这个质量亏损的数值正相当于反应所放出的能。于是她又根据爱因斯坦的质能关系式算出了每个铀原子核裂变时会放出的能量。
当弗瑞士从瑞典返回哥本哈根以后，把哈恩的研究工作以及自己与姑母的讨论情况，向玻尔谈了。玻尔听完以后，猛敲自己的前额，大声说道：“啊！我们为什么这么久都没有发现呢？”
弗瑞士赶回实验室去证实他和姑母在瑞典所作的设想。他也用中子轰击铀，每当中子击中铀核时，他观察到了那异常巨大的能量几乎把测量仪表指针逼到刻度盘以外。这样他就完全证实了这个新的观点。
后来，弗瑞士与姑母梅特纳通了长途电话，这时她已经从哥德堡到了斯德哥尔摩，电话中商量好了他们的公报。这份公报终于在1939年2月的《自然》杂志上发表了。
235U原子核的一种裂变过程铀核裂变为两个碎片（两个新的原子核）的消息立即传遍了全世界。紧接着各国科学家们都证实：铀核确实是分裂了。
铀核分裂产生的这个能量，比相同质量的化学反应放出的能量大几百万倍以上！就这样，人们发现了“原子的火花”，一种新形式的能量。这个能量就是原子核裂变能，也称核能，或原子能。但当时，人们只注意到了释放出惊人的能量，却忽略了释放中子的问题。稍后，哈恩、约里奥·居里及其同事哈尔班等人又发现了更重要的一点，也是最引人注目的一点，就是：在铀核裂变释放出巨大能量的同时，还放出两三个中子来。
这是又一项惊人的发现。为什么呢？
一个中子打碎一个铀核，产生能量，放出两个中子来；这两个中子又打中另外两个铀核，产生两倍的能量，再放出四个中子来，这四个中子又打中邻近的四个铀核，产生四倍的能量，再放出八个中子来……以此类推，这样的链式反应，也就是一环扣一环的反应，又称连锁反应，持续下去，宛如雪崩，山顶上一团雪滚下来，这团雪带动了其他雪，其他的雪再带动另一块雪，这样连续下去，愈滚愈烈，瞬间就会形成大雪球，滚下山坡，势不可挡。这意味着：极其微小的中子，将有能力释放沉睡在大自然界中几十亿年的物质巨人。
链式反应正是由于这一发现，卢瑟福和同他持同样观点的人认为开发利用原子能量的设想是不可能的结论，终于被一种新的科学手段所动摇，并且最后被彻底摧毁了。
1944年，哈恩因为发现了“重核裂变反应”，荣获该年度的诺贝尔化学奖。但是，在这一研究中曾经与其合作并作出过重大贡献的梅特纳和斯特拉斯曼却没有获此殊荣，对此，人们不免感到遗憾。特别是对梅特纳而言，是她首先创造性地采用了“原子分裂”这个科学史上从来没有过的名词，难道仅仅因为她是一位女科学家就可以“忽略不计”吗！对此，一直到20世纪的90年代，仍然有人为她和有同样命运的女科学家们感到不平。
不过，尚可欣慰的是，1966年，梅特纳博士和哈恩博士，还有斯特拉斯曼博士共同获得瑞典原子能委员会颁发的5万美元的“恩里科·费米奖”。那时的梅特纳已有80高龄，身体很虚弱，不能到维也纳去领奖，是原子能委员会主席西博格博士亲自到英国剑桥向她授奖的。这对梅特纳博士来说，当是极大的荣誉，也是莫大的欣慰。
说到“费米奖”，这里再回过头来说说费米在1934年时，用中子去轰击铀核，得到新的放射性元素，于是就宣布自己创造了原子序数为93的超铀元素。其实那时他已经用实验完成了原子的裂变，可惜他没能认识到，以至这一发现原子裂变的荣誉被哈恩、梅特纳和斯特拉斯曼等博士所获得。
当发现原子的裂变越来越受到科学界的重视时，费米夫人曾经不无惋惜地对费米说：“其实，你在1934年所做的那个实验，就完成了原子的分裂。”费米说：“是的。”
夫人又说：“但是你们没有认出来，而且作了错误的解释。”
费米说：“事情正是这样。我们当时没有足够的想象力来设想铀会发生一种与任何其他元素都不一样的转变过程；我们当时试图把放射性产物证明为元素周期表中那些最靠近铀的元素。况且，我们也没有足够的化学知识去一个一个地分离铀原子核受到轰击以后生产的转变产物。”
夫人又问：“你们曾经宣布已经创造出来的第93号超铀元素呢？”
费米说：“我们当时认为可能是第93号元素的东西，已被证实是各种转变产物的混合物。我们曾经对此怀疑了很长的时间，现在可以确定它其实并不是了。”
费米真不愧是一位有气度有远见的核科学家，他对自己的失误的剖析，说得是多么坦然和深刻。而且，他很快就放弃了自己的失误，也不为失误感到沮丧。他立即全力以赴地去研究原子裂变，并且对裂变提出了一系列理论。他发现，铀核被分裂为二时，可以放出两个中子，这两个中子再去击中两个铀原子核，它被分裂为四，同时放出四个中子……由此类推，原子的裂变就会这样自发地持续下去，产生一连串的原子分裂，同时不断放出能量。
原子裂变自持链式反应的概念就是这样提出来的，它是利用原子裂变产生能量的重要理论基础。