Participó en la separación de los isótopos del uranio para su uso en bombas atómicas y colaboró en el Proyecto Manhatan.
Posteriormente se dedicó a la física biológica en la Universidad de St. Andrew de Escocia y en el King's College de Londres. Estudió los efectos genéticos de los ultrasonidos y la espectrofotometría de la radiación ultravioleta de los ácidos nucleicos en las células. Usando la técnica de difracción de rayos X, estudió la estructura de las grandes moléculas biológicas y descubrió los modelos estructurales que condujeron a poner de manifiesto la configuración molecular del ADN propuesta por Watson y Crick.
En 1962 le fue concedido el premio Nobel de Fisiología y Medicina, compartido con Francis Crick y James Dewey Watson, por sus descubrimientos referentes a la estructura molecular del ADN.
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