Delbrück dro tilbake til Berlin i 1932 som assistenten til Lise Meitner, som samarbeida med Otto Hahn. De bearbeida resultatene av forsøk på å bestråle uran med nøytroner. I løpet av denne perioden skreiv han noen avhandlinger. En av disse avhandlingene viste seg å bli et viktig bidrag i forsøk med spredning av gammastråler. Hans konklusjon viste seg å være rent teoretisk, ettersom det var umulig å gjennomføre på det tidspunktet. 20 år senere stadfesta Hans Bethe fenomenet og kalte det opp etter Delbrück.