Весной 1934 года Френкель встретился в Ленинграде с Нильсом Бором и обсуждал с ним вопросы быстро развивающейся в то время теории ядра. Затем они встретились в Москве и вместе поехали в Харьков на конференцию по теоретической физике.

В различных странах с большой интенсивностью велись теоретические и экспериментальные работы по ядерной физике, в результате которых были сделаны важные открытия, предвещающие новую эпоху в физике и технике. Из экспериментальных открытий можно упомянуть об исторических опытах Энрико Ферми по облучению элементов нейтронами и открытие эффекта замедления нейтронов в парафине, графите и тяжелой воде, получившего в физике название эффекта Ферми и сыгравшего важную роль в разработке способов выделения ядерной (атомной) энергии. С не меньшей интенсивностью работали и физики-теоретики, осмысливая огромный материал, накопившийся у экспериментаторов.

В марте 1936 года на сессии Академии наук Френкель, выступая в прениях по докладу И.Е. Тамма, посвященному теории атомного ядра, предложил свою статистическую модель ядра. Примерно за две недели до этого выступления в английском журнале «Нейчер» была опубликована теория компаунд-ядра Н. Бора. Френкель рассматривал ядро как твердое или жидкое тело, состоящее из большого количества связанных друг с другом частиц. Энергию, возникающую в такой системе при захвате нейтрона, можно представить себе как тепловую энергию этого ядра, а процесс захвата нейтрона — как своеобразную его адсорбцию, сопровождающуюся нагревом сложного компаунд-ядра с последующим испарением из него нейтрона, протона или частицы. Основываясь на этой аналогии, он ввел понятие температуры ядра и позднее в других статьях облек свои идеи в математическую форму. Эти идеи получили признание и развитие, в частности, в работах самого Бора, а также в работах Л.Д. Ландау и В. Вейскопфа и Г. Бете.

Летом 1937 года Нильс Бор снова приехал в Москву и в своих лекциях уже пытался дать прогноз относительно практического использования ядерной энергии, в том числе и в виде оружия. Знаменательно было и то, что Бор, как и некоторые другие ученые, в частности и Френкель, уже серьезно рассматривали вопрос об атомной энергии. Френкель в своих лекциях довольно подробно излагал этот вопрос.

В начале Великой Отечественной войны Ленинградский физико-технический институт, где продолжал работать Френкель, эвакуировался в Казань.

Сорокасемилетний ученый решил пойти добровольцем на фронт, где находились уже многие его ученики и молодые сотрудники института. Военком, возвращая ему заявление, сказал: «Профессор Френкель, подумайте сами, где вы будете полезнее? На фронте мы сможем использовать только ваши руки. Ваши знания нужны нам больше».

В период эвакуации в крайне суровых условиях жизни Френкель продолжал вести научную работу в институте, совмещая ее с чтением лекций студентам Казанского университета. Он также выезжал в командировки в высшие учебные заведения и научно-исследовательские институты других городов для чтения лекций и консультации.

За лето и осень трудного 1943 года Яков Ильич написал одну из выдающихся своих монографий «Кинетическая теория жидкостей». Академик И.Е. Тамм писал, имея в виду эту работу, что в истории науки редко встречаются примеры, когда физик излагал бы столь обширную область науки, основываясь в такой степени на собственных идеях и работах. Этот труд Я.И. Френкеля был отмечен Государственной премией первой степени.

Лекции Френкеля для студентов были необычными. В них творчески излагался предмет и содержались идеи самого лектора, оригинальные трактовки результатов новейших исследований, учитывались последние успехи науки. Его курс квантовой механики непрерывно пополнялся данными о самых новых теоретических и экспериментальных открытиях. Две лекции на одну и ту же тему могли быть совершенно различными в зависимости от результатов последних работ или в связи с изменением точки зрения Френкеля, вызванным более углубленным изучением и обдумыванием того или иного научного факта.

В то же время Френкель всегда заботился о том, чтобы его лекции были доступны слушателям.

Иногда выводя на доске сложный и длинный набор цифр и уравнений, Яков Ильич на какой-то стадии терял «минус» или «плюс», или «корень квадратный». Тогда он поручал студентам найти этот «легкомысленный» знак, умудрившийся сбежать. Студенты бросались на поиски и в конце концов находили беглеца. Этот маленький фокус Френкель делал, конечно, умышленно, создавая, таким образом, небольшую разрядку и в то же время проверяя внимательность своих студентов.

Френкель обладал крепким физическим здоровьем. Это доказывала его огромная работоспособность. Он отлично катался на коньках, совершал длинные пешеходные прогулки, водил автомобиль. Тем не менее утомление, вызванное усиленной работой на протяжении многих лет, лишения военного времени, а также многие жизненные трудности к концу сороковых годов стали сказываться на его здоровье. Он прекрасно понимал, что болен, но не хотел мириться с этим и продолжал трудиться, как в молодые годы. Однако теперь болезнь довольно часто побеждала его, и он вынужден был на время прекращать работу.

В ночь на 23 января 1952 года Я.И. Френкель скоропостижно скончался у себя дома в профессорском корпусе, расположенном в парке Политехнического института, где он провел почти всю жизнь. 10 февраля ему исполнилось бы 58 лет.

Когда умер Френкель, в научных журналах по физике рядом с некрологами о нем оказались и его научные статьи. Они были напечатаны отнюдь не в связи со смертью ученого. Нет, просто подошла их очередь для опубликования и они появились на страницах журналов, как будто бы автор продолжал работать...

Хотя физика в нашем столетии оказывает непосредственно влияние на все сферы деятельности человека, она пока еще не стала доступным для всех объектом. Более широко известны некоторые успехи физики, связанные с различными техническими устройствами, поражающими воображение. К ним относятся, например, атомные электростанции, термоядерное оружие, космические аппараты, гигантские ускорители частиц, радиолокаторы, солнечные батареи, полупроводниковые приборы.

Но многие ли знают о тех научных открытиях, в том числе и «чисто» теоретических, предшествовавших созданию таких технических устройств?

Теоретические идеи, подобные тем, которые рождались в уме Френкеля, всегда «возбуждают» науку, питают живительными соками все области физики и смежных с нею наук. Работа физика-теоретика остается пока еще «невидимой» для широкого круга людей. Лишь спустя много лет и даже десятилетий становятся понятными идеи, которые при возникновении казались безумно сложными и были недоступны для восприятия человека со «средними знаниями».

Великий физик-теоретик Альберт Эйнштейн создал всем известную, но до сих пор сравнительно немногим понятную теорию относительности. Конечно, наступит время, когда теория Эйнштейна станет общепонятной; но для этого нужна дальнейшая разработка ее и повышение уровня образованности людей.

В печати часто подчеркивался большой диапазон научных интересов Якова Ильича, простиравшихся «от математики через все разделы физики вплоть до ядерной физики, геофизики, физиологии и техники». Редкая разносторонность Френкеля неизменно отмечалась всеми исследователями его научного творчества.

Ум современного человека обычно направлен в довольно ограниченную область интересов чаще всего потому, что и эта область сама по себе настолько глубока, что требует от человека всей его жизни.

В щедром потоке работ Френкеля почти каждая представляла собой ценное научное исследование, способное возбудить мысль других ученых.

До самой смерти Френкель продолжал безостановочно работать, ни на мгновение не утрачивая способности творчески мыслить. Поэтому и случилось так, что последние его статьи появились в печати одновременно с некрологами. Немало неоконченных рукописей осталось в ящиках его письменного стола.

Но к этому времени многие теоретические идеи Френкеля уже были «в деле». Они вошли в науку, и исследователи на основе этих идей развивали различные области физики. Эта коллективная работа не прекращается и сейчас.