吳健雄此番去美原本是去密西根大學求學的，但一次中途的停留使她成為舊金山加州大學柏克萊分校的一名學生。那是一個豔陽高照的上午，吳健雄因看望一個林姓同學在舊金山下了船，並在這個女同學的陪同下參觀了舊金山加州大學柏克萊分校物理係。她一走進學校大門便被該校那濃烈的學術氣氛所感染了，而該校由勞倫斯在柏克萊物理萊康特館建造的放射性實驗室尤令她感到興奮不已。當時該實驗
室已建成了一台可提供高能量的粒子來撞擊原子核的迴旋加速器，這台迴旋加速器在後來原子彈的製造中起了非常重要的作用。更令她感到興奮的是發明這台迴旋加速器的勞倫斯隻有35歲，而另一位知名科學家，後來享有“原子之父”美譽的奧本海默也不過28歲。所有這一切使吳健雄相信，這是一所充滿科學活力、前途無量的學校。她於是改變了原定去密西根大學的計劃，決定留在這所大學求學。在比她先來2個星期的物理係學生袁家騮帶領下，她走進了物理係主任辦公室。她那紮實的專業基礎以及對科學的執著追求終於打動了向來對女生抱有偏見的物理係主任柏基，在學校已經開學的情況下，他破例收下了這外表柔弱的女生。
在柏克萊學習一年後，1938年，在勞倫斯和另一位科學家塞格瑞的指導下吳健雄開始了原子核物理實驗研究。起先，勞倫斯因擔心女孩子在枯燥的原子物理理論方麵有始無終，曾勸她學點音樂、藝術之類的東西，但吳健雄以她那鋼鐵的意誌和過人的勤奮同樣十打動了勞倫斯。她常常終日埋頭於書本和實驗室。她的同學因她過份用功，擔心這樣下去會弄壞身體，多次勸她注意休息，但吳健雄卻對此“充耳不聞”。她常常為實驗忘了吃飯，每每這時一位好心的同空同學一位匈牙利籍的女孩便輕輕地將一瓶牛奶放在她桌上。在勞倫斯指導下，吳健雄對於放射性元素因由p衰變放出電子而產生兩種形態x光的理論及其分辨方法，作出相當清楚的實驗論證，為當時這方麵的幾個理論建立了堅實的實驗基礎。繼完成這一實驗後，1939年吳健雄又投入了一項重要課題的研究。1938年底，科學界發生了一件重要的事件，那就是鈾原子核分裂的發現，這一發現於1939年1月在《科學》期刊一經發表便極大震驚了世界，全球在這一領域的科學家都迫不急待地層開了相關的實驗工作。吳健雄和諾貝爾獎獲得者塞格瑞在實驗中利用37英寸的迴旋加速器中的800萬電子伏特的重氫原子核去撞擊一個金屬元素鈹，然後再利用產生出來的中子來撞擊鈾原子核（或釷原子核）造成核分裂。結果，吳健雄在鈾原子核分裂產物碘中發現了一種對鈾原子核分裂連鎖反應有關鍵影響的惰性氣體一氙，並準確地定出兩種放射性惰性氣體氙的半衰退期，放射數量和同位素數量。她的這一研究成果為美國後來製造原子彈的“哈曼頓計劃”提供了關鍵技術，也為吳健雄日後進入美國最機密的原子彈研究創造了條件。該成果在美國最權威雜誌《物理評論》上一經發表便立即引起科學界的極大關注。1941年4月26日，柏克萊所在地奧克蘭郡的《奧克蘭郡報》以“嬌小的中國女生在原子彈撞擊研究上出類拔萃”為標題報道了吳健雄的這一研究，並刊登了一張取自吳健雄護照上的半身相片，該文這樣寫道：“在一個進行原子撞擊科學研究的實驗室中，一位嬌小的中國女孩和美國一些最高水準的科學家並肩工作。”“在陌生人麵前，她顯得害羞而沉默，但在物理學家和研究生麵前她卻是自信而機智。”“她的心仍在中國，她正準備迴到祖國，希望為中國奉獻一些力量。”在此前一年，吳健雄以其出色的研究成果完成了博士論文答辯。五位博士口試委員中有3名諾貝爾獎獲得者，真可謂盛況空前。五位委員對吳健雄的答辯十分欣賞，認為這個女生有著不可估量的科研潛力，而吳健雄在答辯所表現出來的對科學的執著追求信心也給委員們留下了深刻印象。曾一手創建美國費米實驗室的威爾遜說：“吳健雄是一個有雄心的女性，她經常談到居裏夫人，並且以居裏夫人作為一個典範，她總是想要十分傑出，我可以感受到她的決心，並且也有信心，她無論如何一定會做得到。”
室已建成了一台可提供高能量的粒子來撞擊原子核的迴旋加速器，這台迴旋加速器在後來原子彈的製造中起了非常重要的作用。更令她感到興奮的是發明這台迴旋加速器的勞倫斯隻有35歲，而另一位知名科學家，後來享有“原子之父”美譽的奧本海默也不過28歲。所有這一切使吳健雄相信，這是一所充滿科學活力、前途無量的學校。她於是改變了原定去密西根大學的計劃，決定留在這所大學求學。在比她先來2個星期的物理係學生袁家騮帶領下，她走進了物理係主任辦公室。她那紮實的專業基礎以及對科學的執著追求終於打動了向來對女生抱有偏見的物理係主任柏基，在學校已經開學的情況下，他破例收下了這外表柔弱的女生。
在柏克萊學習一年後，1938年，在勞倫斯和另一位科學家塞格瑞的指導下吳健雄開始了原子核物理實驗研究。起先，勞倫斯因擔心女孩子在枯燥的原子物理理論方麵有始無終，曾勸她學點音樂、藝術之類的東西，但吳健雄以她那鋼鐵的意誌和過人的勤奮同樣十打動了勞倫斯。她常常終日埋頭於書本和實驗室。她的同學因她過份用功，擔心這樣下去會弄壞身體，多次勸她注意休息，但吳健雄卻對此“充耳不聞”。她常常為實驗忘了吃飯，每每這時一位好心的同空同學一位匈牙利籍的女孩便輕輕地將一瓶牛奶放在她桌上。在勞倫斯指導下，吳健雄對於放射性元素因由p衰變放出電子而產生兩種形態x光的理論及其分辨方法，作出相當清楚的實驗論證，為當時這方麵的幾個理論建立了堅實的實驗基礎。繼完成這一實驗後，1939年吳健雄又投入了一項重要課題的研究。1938年底，科學界發生了一件重要的事件，那就是鈾原子核分裂的發現，這一發現於1939年1月在《科學》期刊一經發表便極大震驚了世界，全球在這一領域的科學家都迫不急待地層開了相關的實驗工作。吳健雄和諾貝爾獎獲得者塞格瑞在實驗中利用37英寸的迴旋加速器中的800萬電子伏特的重氫原子核去撞擊一個金屬元素鈹，然後再利用產生出來的中子來撞擊鈾原子核（或釷原子核）造成核分裂。結果，吳健雄在鈾原子核分裂產物碘中發現了一種對鈾原子核分裂連鎖反應有關鍵影響的惰性氣體一氙，並準確地定出兩種放射性惰性氣體氙的半衰退期，放射數量和同位素數量。她的這一研究成果為美國後來製造原子彈的“哈曼頓計劃”提供了關鍵技術，也為吳健雄日後進入美國最機密的原子彈研究創造了條件。該成果在美國最權威雜誌《物理評論》上一經發表便立即引起科學界的極大關注。1941年4月26日，柏克萊所在地奧克蘭郡的《奧克蘭郡報》以“嬌小的中國女生在原子彈撞擊研究上出類拔萃”為標題報道了吳健雄的這一研究，並刊登了一張取自吳健雄護照上的半身相片，該文這樣寫道：“在一個進行原子撞擊科學研究的實驗室中，一位嬌小的中國女孩和美國一些最高水準的科學家並肩工作。”“在陌生人麵前，她顯得害羞而沉默，但在物理學家和研究生麵前她卻是自信而機智。”“她的心仍在中國，她正準備迴到祖國，希望為中國奉獻一些力量。”在此前一年，吳健雄以其出色的研究成果完成了博士論文答辯。五位博士口試委員中有3名諾貝爾獎獲得者，真可謂盛況空前。五位委員對吳健雄的答辯十分欣賞，認為這個女生有著不可估量的科研潛力，而吳健雄在答辯所表現出來的對科學的執著追求信心也給委員們留下了深刻印象。曾一手創建美國費米實驗室的威爾遜說：“吳健雄是一個有雄心的女性，她經常談到居裏夫人，並且以居裏夫人作為一個典範，她總是想要十分傑出，我可以感受到她的決心，並且也有信心，她無論如何一定會做得到。”