Ознакомившись с результатами работ Жолио-Кюри, Джеймс Чедвик в своих опытах применил ионизационную камеру с пропорциональным усилителем. Измерив кинетические энергии выбиваемых ядер, он доказал, что излучение состояло из электрически нейтральных частиц, масса которых близка к массе протона (открытого в 1932 году американским физиком Карлом Д. Андерсоном). Таким образом, Чедвик открыл нейтрон – нейтральную частицу, входящую в состав атомного ядра, существование которой предположил Резерфорд еще в 1923 году.

В своих последующих работах Фредерик и Ирен исследовали свойства нейтрона и позитрона. Благодаря открытию Чедвика можно было использовать для расщепления атомного ядра более эффективные снаряды, чем альфа-частицы.

В 1933 году на Первой Всесоюзной конференции по атомному ядру в Ленинграде Фредерик Жолио прочел доклад о своих исследованиях нейтронов.

На VII Сольвеевском конгрессе в Брюсселе в октябре 1933 года Фредерик представил результаты исследований нейтронов, испускаемых фтором, алюминием и натрием под действием альфа-лучей полония. Закрывая отверстия конденсационной камеры тонкой алюминиевой фольгой, ученый обнаружил, что при воздействии лучей на алюминий образуются не только электроны, но и позитроны. Аналогичные результаты были и при опытах с бором и бериллием. Доклад молодого ученого был встречен с недоверием, и только Нильс Бор и Вольфганг Паули поддержали открытия и посоветовали продолжать работу в данном направлении.

По возвращении из Брюсселя в начале 1934 года супруги Жолио-Кюри начали новую серию экспериментов, которые привели ученых к величайшим открытиям. Они обнаружили, что эмиссия позитронов продолжалась даже после того, как был убран полониевый источник, и бомбардирование альфа-частицами было прекращено. При этом некоторые из подвергаемых анализу образцов алюминия и бора превратились в новые химические элементы. Так, алюминий превратился в несуществующий в природе радиоактивный фосфор (радиофосфор), а бор – в радиоактивный изотоп азота.

Таким образом, ученые открыли искусственную радиоактивность, поскольку образующиеся радиоактивные элементы были созданы искусственным путем.

Результаты своих исследований супруги Жолио-Кюри опубликовали в 1934 году. В своих трудах они высказали мнение, что и другие превращения, вызванные другими бомбардирующими частицами – нейтронами, дейтронами, протонами, – тоже должны приводить к образованию искусственных радиоэлементов. Предположения ученых в скором времени подтвердились, а их открытие принесло им всемирную славу.

В 1935 году Фредерику и Ирен Жолио-Кюри совместно была присуждена Нобелевская премия по химии «за выполненный синтез новых радиоактивных элементов».

В своей презентационной речи представитель Шведской королевской академии наук К. В. Пальмайер от имени всего человечества поблагодарил ученых за их открытия, ведь благодаря возможным искусственным превращениям одного элемента в другой человечество могло приобрести бесценные лекарственные препараты.

В своей нобелевской лекции «Химическое доказательство превращения элементов», прочитанной 12 декабря 1935 года, Фредерик Жолио пророчески заметил, что в скором времени исследователи будут расщеплять и создавать различные элементы и смогут осуществлять превращения веществ взрывного типа, которые будут аналогичны цепным химическим реакциям. Таким образом, становится возможным освобождение большого количества энергии, приводящее к ядерному взрыву.

После получения Нобелевской премии Фредерик Жолио начал исследовать ядерные реакции.

1937 год был богат на масштабные события в жизни молодого ученого.

Продолжая работать в Институте радия, он одновременно занял должность профессора в Коллеж де Франс в Париже – одном из старейших научных и учебных центров Франции. В Коллеж де Франс он создал исследовательский центр ядерной физики и химии, а также основал новую лабораторию, где физики, химики и биологи работали в тесном сотрудничестве. На кафедре Коллеж де Франс он работал до самой смерти.

Под патронажем ученого велось строительство одного из первых в мире циклотронов, в котором при проведении исследований в качестве источника альфа-частиц должны были использоваться радиоактивные элементы.

Также ученый возглавил лабораторию атомного синтеза в Национальном центре научных исследований.

В 1939 году немецкий химик Отто Ган открыл возможность расщепления атома урана. После того как Фредерик Жолио нашел доказательство того, что расщепление носит взрывной характер, он начал совместно с сотрудниками искать практические перспективы извлечения ядерной энергии.

В следующем году он разработал несколько проектов по применению ядерной энергии. 30 октября 1939 года вместе с сотрудниками он передал Французской академии наук запечатанный конверт, который следовало вскрыть не раньше чем через 10 лет, и в котором содержалась статья «О возможности получения в урановой среде расходящихся цепных реакций».

Весной 1939 года большая группа американских физиков, включая Э. Ферми, Л. Сцилларда, при поддержке Нильса Бора попыталась инициировать прекращение публикаций исследований по ядерной энергетике, и многие физики поддержали эту инициативу, однако Фредерик Жолио отказался это сделать.

Он начал конструировать урановый котел с тяжелой водой и выкупил у Норвегии практически все имевшееся тогда количество тяжелой воды. Но Вторая мировая война и оккупация Франции фашистами внесли изменения в планы ученого и заставили его приостановить исследования.

Вся документация и запасы тяжелой воды были переправлены тайно в Англию, что дало возможность английским ученым продолжить исследования по разработке атомного оружия. Позже материалы ученого были перевезены в Канаду. Имеющиеся девять тонн окиси урана были спрятаны во Франции.

Фашистам удалось дважды арестовать Фредерика Жолио, но он дал им ложную информацию, сообщив, что материалы и документы были увезены на пароходе. На самом деле ученый знал, что этот пароход был потоплен немецкой авиацией.

Во Франции ученый стал одним из организаторов движения Сопротивления. В своей лаборатории в Коллеж де Франс он собственноручно изготавливал гранаты и развозил их подпольщикам.

Во время битвы за Париж он вместе со всем народом сражался на баррикадах. До самого конца войны Жолио был председателем Народного фронта. В 1942 году Жолио вступил в Коммунистическую партию Франции и позже стал членом ее Центрального Комитета.

В период оккупации ученый находился в Париже. Он сохранил свои посты в Институте радия и в Коллеж де Франс. После того как фашисты арестовали Поля Ланжевена, профессор Жолио первый раз в жизни прервал чтение лекции. Позже он организовал побег своего друга и учителя в Швейцарию.

По окончании войны знаменитому ученому было присвоено звание Командора Почетного легиона, он был также представлен к награждению Боевым крестом.

После освобождения Франции Жолио был назначен директором Национального центра научных исследований. Ученый добивался продолжения ядерных исследований в стране и убедил президента Шарля де Голля создать Комиссариат по атомной энергии Франции. По его разработкам в 1946 году во Франции Комиссариат атомной энергии был-таки создан, а сам идеолог был назначен Верховным комиссаром по атомной энергии.

Уже через два года Нобелевскому лауреату удалось запустить первый во Франции циклотрон, в конце 1948 года начал работать первый французский атомный котел с ураном и тяжелой водой.

Кроме работы в Комиссариате атомной энергии, Жолио продолжал читать лекции в Коллеж де Франс. В течение 1944–1950 годов знаменитый ученый был членом Временной Консультативной ассамблеи, Экономического Совета при ЮНЕСКО, принимал участие в различных министерских комиссиях, в 1946 году был делегатом от Франции в Комиссии по атомной энергии ООН.

В 1950 году из-за связи Жолио с коммунистической партией и отказа вести ядерные исследования в военных целях правительство Франции сначала сократило кредиты Комиссариату, а затем сместило Фредерика Жолио с поста Верховного комиссара по атомной энергии. Через некоторое время из Комиссариата была также уволена Ирен Жолио-Кюри.