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1934年，毕业于国立中央大学，获理学学士学位，1936年，赴美国留学，1940年，博士毕业于美国加利福尼亚大学。1942年，任教于美国史密斯学院，1944年3月，进入哥伦比亚大学原子弹研究重点实验室，参加了“曼哈顿计划”。1952年，任哥伦比亚大学副教授，1958年，晋升为教授，并当选为美国科学院院士，1972年，当选为美国艺术科学院院士、1982年，受聘为南京大学、北京大学、中国科学技术大学等校的名誉教授，1994年，当选为中国科学院第一届外籍院士。

吴健雄长期从事实验核物理研究，用β衰变实验证明了在弱相互作用中的对称不守恒，推翻了宇称守恒定律；用12B和12N的β谱形状的实验，证明了核β衰变中矢量流守恒定律；否定了局部隐变量理论，支持了量子力学的正统法则；将穆斯堡尔效应（Mössbauer effect）用于生物学研究。其次，还在内轫致辐射、奇特原子、血红蛋白、正电子偶素、超低温核物理等方面做出贡献。1975年，先后获美国物理学会核物TomBonner奖、美国国家科学奖，1978年，获沃尔夫奖物理奖。

证明了在弱相互作用中的宇称不守恒：1956年，华裔美国科学家李政道、杨振宁在分析“最轻的奇异粒子衰变”时遇到了难题，提出弱作用下宇称（P）可能不守恒的假说之后，1957年，吴健雄带领团队对“钴-60原子核”进行实验，发现绝大多数电子的出射方向都和钴-60原子核的自旋方向相反，其实验结果改变了物理科学中“宇称守恒”的基本信念，证实了弱相互作用中的宇称不守恒。 

矢量流守恒定律：1963年，吴健雄用“12B”和“12N”的β谱形状的实验，证明了核β衰变在矢量流守恒定律，这是物理学史上首次由实验定“实电磁相互作用”与“弱相互作用”有密切关系，对后来电弱统一理论的提出起到了至关重要的作用州。

核β衰变研究的其他贡献：1949年，吴健雄与艾柏特（R.Albert）对β衰变理论与实验间的歧异进行验证，证实了β谱形状的源效应，其实验结果与科学家费米的β衰变理论完全吻合，澄清了多年来关于β衰变的争论，并对β衰变的各种跃迁进行了系统的研究，丰富和完善β衰变理论。1970年，吴健雄团队为了尽量减少宇宙线的背景辐射，选择在在美国克里夫兰附近的一个600余米深的盐矿井内进行48Ca双β衰变则实验。

量子力学：1950年，吴健雄团队发表了一篇关于“散射湮没辐射的角关联”的文章，证实了“狄拉克”理论，也证明了正电子与负电子的宇称相反，与“量子力学”并无矛盾，1975年，吴健雄团队又发表了一篇题为“普顿散射的湮没光子的角关联以及隐变量”的文章，其结果与假设电子与正电子有相反的宇称为前提而得到的标准的量子力学计算相符。这些实验结果不遵从“贝尔不等式”，却与量子力学符合得很好，从而否定了任何形式的定域隐参量理论，在更高程度上支持了量子力学的正统法则。

μ子、介子和反质子：从1965至1975年间，吴健雄一直在从事高能物理领域方面实验工作，其中，“μ子”物理方面研究：如Sn、Nd、W等元素的μ子X射线的同位素移的测定、209Biμ子X射线的磁偶极和电四极矩超精细相互作用和近10种μ子原子中核γ射线的测定等。介子和反质子物理方面研究：如交变梯度同步加速器产生的强大的“K-，Σ-”“粒子流”，以高分辨率Ge(Li)探测器为工具，用奇异原子方法准确地测定了这些粒子的质量和磁矩。

穆斯堡尔效应（Mössbauer effect）：1958年，德国物理学家穆斯堡尔(R．Mouml)首次在实验中发现应用穆斯堡尔效应之后，吴健雄就开始对穆斯堡尔效应进行深入研究，专门研制了用于低温穆斯堡尔效应研究的闭环氦致冷器，经过实验研究，其结果证明对于“放射源”或“库仑激发源”都可使用。1978年，吴健雄将穆斯堡尔效应用于生物学中大分子的结构研究，利用3He/4He稀释致冷器进行测量，其结果表明在约0.13K时该血红素进行磁跃迁。此外，还利用这一装量在诸如收体温术、弛豫效应、与温度有关的超精细场的研究等方面进行了一些实验，得出了许多有意义的结果。

其他科学成就：吴健雄还有许多其他贡献，如放射性同位素的分析，慢中子速度谱仪研究（多种材料），中子在正氢和仲氢中的散射以及核力范围的探讨，在气体中形成电子偶素时电场影响的研究，延迟符合技术用于测42Ca和47Sc的激发态的寿命，中子与3He的相互作用的研究，高能级发出的内转换谱线的观察、对正电子谱及正电子湮没的研究，连锁反应无法延续的难题、内轫致辐射、”5xe对核裂变链式反应的重大影响、奇特原子、血红蛋白、正电子偶素、超低温核物理、核能级图、探究血红结构等方面都做过不少重要的工作，并取得了一定的成绩。

小行星命名：1990年，中国科学院紫金山天文台以世界著名物理学家吴健雄的名字命名的国际编号为2752号的小行星被命名为“吴健雄星”。

吴健雄、袁家骝奖学金：1986年，在南京大学设立吴健雄、袁家骝[liú]奖学金，以表彰在物理实验方面有突出表现的学生。同年，杨振宁、李政道、丁肇中和李远哲四位诺贝尔奖得主发起在台北创立吴健雄学术基金会。

基金会：1988年，吴健雄以她父亲的名义设立了纽约吴仲裔奖学金基金会。

吴健雄图书馆：1992年，吴健雄在母校南京大学物理系设立“吴健雄图书馆”，并由著名物理学家、诺贝尔奖获得者杨振宁先生题写馆名。

 吴健雄物理奖、吴健雄袁家骝自然科学基金会：1994年，中国设立吴健雄物理奖、吴健雄袁家骝自然科学基金会，同年，南京大学、东南大学、太仓明德中学先后设立吴健雄奖学金。

 墓园、纪念馆等：1998年，吴健雄墓园在明德中学校内建成，同时，明德学校还建立了吴健雄科技楼、明德楼纪念馆。

吴健雄纪念馆：1999年，东南大学报请中共中央、国务院批准，在校园内大礼堂西侧建造吴健雄纪念馆，并定于2002年百年校庆时开馆，馆内展示了吴健雄先生的生平业绩与大量遗物。中华民国物理学会自2003年起开始向女性会员颁发吴健雄奖学金。

学校命名：2004年，东南大学正式成立吴健雄学院，以吴健雄的名字命名。同年7月，经江苏省人民政府批准，建立公办全日制普通高等学校健雄职业技术学院，学院以吴健雄的名字命名，并在校园内，建成了吴健雄广场，建立吴健雄陈列馆和吴健雄图书馆。

《纽约时报》全球百年百名妇女：《纽约时报》2020年3月推出全球百年百名妇女（100 Women of the Year）系列，其中1945年当选者是著名华裔物理学家吴健雄。为了表彰吴健雄的贡献，2020年纽约市政厅人物肖像走廊挂上了吴健雄的肖像。

美国永久邮票：2021年2月11日，美国邮政局发行永久邮票纪念吴健雄。

吴健雄纪念基金女学人计划：2022年9月，周凯旋基金会向东南大学捐赠500万元设立“吴健雄纪念基金女学人计划”。