אוטו האן
קריירה מדעית

האן שאף לעבוד בתעשייה הכימית. מסיבה זו, וכדי לשפר את שליטתו בשפה האנגלית, עבר בשנת 1904 ליוניברסיטי קולג' לונדון, שם עבד תחת סר ויליאם רמזי, מגלה הגזים האצילים. בלונדון עסק בתחום הרדיוכימיה, שהיה אז בראשית דרכו. בעת שעבד עם מלחים של רדיום גילה האן בשנת 1905 את מה שכונה "רדיותוריום" (תוריום 228), שנחשב אז בטעות ליסוד כימי רדיואקטיבי חדש, בעוד שלמעשה היה זה איזוטופ בלתי מוכר של תוריום (מושגי האיזוטופיה נוסחו רק בשנת 1913 על ידי פרדריק סודי). בסתיו 1905 עבר לאוניברסיטת מקגיל במונטריאול, כדי להעמיק את ידיעותיו תחת הנחייתו של ארנסט רתרפורד. במונטריאול גילה האן את החומרים תוריום C, רדיום D ורדיואקטיניום, שנחשבו אף הם ליסודות רדיואקטיביים חדשים.
עם שובו בקיץ 1906 לגרמניה היה לעמיתו של אמיל פישר באוניברסיטת ברלין, שהעמידה לרשותם מעבדה צנועה במכון לכימיה. בתוך חודשים ספורים גילה שם האן, בעזרת ציוד פרימיטיבי, את המזותוריום I, מזותוריום II ובאורח בלתי תלוי מהכימאי ברטרם בולטווד, את יסוד-האם של הרדיום, היוניום (תוריום 230). המזותוריום I (רדיום 228) הוכיח עצמו שימושי מאוד ברפואה הרדיולוגית, בדומה לרדיום 226 של פייר ומארי קירי, ויתרונו היה עלות הייצור הזולה בחצי מקודמו (על גילוי המזותוריום I הציע אדולף פון באייר להעניק להאן את פרס נובל לכימיה כבר בשנת 1914).
ביוני 1907 סיים האן את ההביליטציה  שלו בברלין. ב-28 בספטמבר באותה השנה פגש בפיזיקאית ליזה מייטנר שהגיעה לברלין מווינה, ובכך החלה תקופה בת שלושים שנה של שיתוף פעולה מדעי וחברות קרובה בין שני המדענים. לאחר שהפיזיקאית הרייט ברוקס הבחינה לראשונה ברתע רדיואקטיבי אבל לא פירשה אותו נכונה, הצליח האן בשנת 1909 לפרש את התופעה ולהדגים אותה בהתפרקות אלפא. בתקופה העוקבת הצליחו האן ומייטנר לגלות חומרים רדיואקטיביים חדשים רבים בזכות טכניקות הרתע החדשות שפיתחו. בשנת 1910 נתמנה האן לפרופסור, וכעבור שנתיים מונה לנהל את המחלקה הרדיואקטיבית במכון הקייזר וילהלם לכימיה שאך זה הוקם בשכונת דאהלם בברלין (כיום "בניין אוטו האן" של האוניברסיטה החופשית בברלין). בהמשך, בשנים 1928–1946, אף היה למנהלו של המכון לכימיה כולו. בשנת 1924 היה לחבר מן המניין באקדמיה הפרוסית למדעים, בהמלצתם של אלברט איינשטיין, פריץ הבר, מקס פלאנק, וילהלם שלנק ומקס פון לאואה.
בשנת 1911 פגש האן בסטודנטית לאמנות אדית יונגהאנס במהלך כנס בשטטין, והזוג נישא כעבור שנתיים, במרץ 1913. הנישואים הביאו ללידת בנם היחיד ב-1922, האנו האן, היסטוריון של האמנות וחוקר בתחום האדריכלות, שנהרג בתאונה בצרפת בשנת 1960.
במהלך מלחמת העולם הראשונה גויס האן לצבא, ליחידה מיוחדת לכימיה צבאית אותה ניהל פריץ הבר. ביחידה זו פיתחו, בדקו וייצרו גזים רעילים למטרות צבאיות. כבר במהלך המלחמה, מאז דצמבר 1916, שב האן לעבודתו במכון. בשנים 1917–1918 הצליחו הוא ומייטנר לבודד חומר רדיואקטיבי בעל משך חיים גבוה, לו קראו פרוטו-אקטיניום. אף שחוקרים אחרים הצליחו לבודד עוד קודם לכן איזוטופ קצר-חיים אחר של אותו היסוד שמספרו האטומי 91, נקבע לבסוף השם פרוטקטיניום כשם הרשמי והאן ומייטנר הוכרו כמגליו.
בפברואר 1921 פרסם אוטו האן את חלקו הראשון של מאמרו על גילוי האורניום Z. גילוי האיזומריה של הגרעין היה "תגלית שהתבררה בדיעבד כבעלת חשיבות רבה לפיזיקה הגרעינית, אך נותרה אז בלתי מובנת" כפי שהעיר הפיזיקאי ולטר גרלאך, משום שרק בשנת 1936 הצליח הפיזיקאי קרל פרידריך פון וייצזקר לספק הסבר תאורטי לתופעה. גם בזכות תגלית זו הוצע האן בשנת 1923, בין השאר על ידי מקס פלאנק, כמועמד לפרס נובל לכימיה.
במהלך שנות העשרים פנה האן לכיוון מחקר חדש: באמצעות שיטות חדשות שפיתח, ייסד את התחום "רדיוכימיה שימושית" שבאמצעותה נחקרו שאלות כימיות ופיזיקליות שונות. "רדיוכימיה שימושית" הייתה גם כותרתו של ספר באנגלית שהכיל את הרצאותיו משנת 1933 בעת שהיה מרצה אורח באוניברסיטת קורנל באית'קה שבמדינת ניו יורק. לספר זה הייתה השפעה מכרעת על מדעני גרעין אמריקאיים בשנים לבוא. מאוחר יותר פורסם הספר גם ברוסית.