核分裂の発見
核分裂の発見(かくぶんれつのはっけん)は1938年12月に化学者オットー・ハーンとフリッツ・シュトラスマン、および物理学者リーゼ・マイトナーとオットー・ロベルト・フリッシュらによってなされた。核分裂とは、ある原子核がそれより軽い複数の原子核に分割され、場合によってその他の粒子も発生するような核反応もしくは放射性崩壊をいう。この過程では多くの場合ガンマ線が発生し、放射性崩壊の基準で言っても莫大な量のエネルギーが生み出される。当時の科学者はすでにアルファ崩壊やベータ崩壊について知っていたが、核分裂のように原子番号が大きく変わる過程は想定外の発見だった。また核分裂は連鎖反応が可能であることから原子力発電や核兵器の発展につながったため非常に重要な意味を持っていた。
1938年、ベルリンのマックス・プランク化学研究所に所属していたハーンとシュトラスマンは、遅い中性子を照射されたウランから大幅に軽い元素であるバリウムが生成したことを見出した。ハーンはウラン原子核が複数の小さい原子核に分かれた可能性に気づいたが、物理学的な根拠を見つけられなかった。二人はこの発見を、元同僚で数か月前にナチス・ドイツを逃れてスウェーデンに移住していたマイトナーに手紙で知らせた。マイトナーは甥のフリッシュとともにウラン原子核の分裂についての理論を立て、崩壊一つあたり放出されるエネルギーを約200メガ電子ボルトと計算した。フリッシュは実験によってこれを証明した。結果は『ネイチャー』誌で発表され、この過程はフリッシュによって生物の細胞分裂にたとえて「核分裂」と名付けられた。ハーンはこの発見により1944年のノーベル化学賞を単独で受賞した。亡命まで共同で研究にあたっていたマイトナーが賞から漏れたことについては複雑な政治的、学問的事情が関わっている。
核分裂の発見以前にも、放射能の正体や性質については40年にわたって研究が行われてきた。1932年にジェームズ・チャドウィックが発見した中性子は核変換の新しい方法を生み出した。ローマのエンリコ・フェルミとその同僚は、当時知られていた最も重い元素である陽子数92のウランに中性子を照射し、核反応によって陽子数93と94の新元素が生成したと主張した。フェルミは「中性子照射によって新しい放射性元素が生成することを証明し、それと関連して遅い中性子によって引き起こされる核反応を発見した」ことによって1938年のノーベル物理学賞を獲得している。しかし、この解釈が万人に受け入れられたわけではなかった。イーダ・ノダックはウランからもっと重い93番元素が生成したと考えるよりウラン原子核が数個の大きな破片に分かれたと考える方が妥当だと主張した。アリスティッド・フォン・グローセはフェルミのグループが発見したのは陽子数91のプロトアクチニウムの同位体の一つだと考えた。
プロトアクチニウムの最安定同位体の発見者であるハーンとマイトナーはフォン・グローセの説に興味を引かれ、同じ研究所の若手シュトラスマンを加えて問題の核反応過程を研究し始めた。4年間の紆余曲折の末に、フェルミがいう新元素が実は核分裂生成物だったことが明らかになった。この研究は物理学で長らく信じられていた通念を覆し、真の93番元素(ネプツニウム)と94番元素(プルトニウム)の発見や、ウラン以外の元素による核分裂の発見、ウランの性質におけるウラン235の役割の解明につながった。ニールス・ボーアとジョン・ホイーラーは原子核の液滴モデルを修正して核分裂のメカニズムを説明した。
19世紀末の科学者はそのころ標準的な実験器具となった陰極線管を使って盛んに実験を行っていた。さまざまな物質に陰極線を当てて何が起きるか調べるのが常套手段だった。ヴィルヘルム・レントゲンは陰極線を当てると蛍光を発するシアン化白金酸塩バリウムを塗ったスクリーンを持っていた。1895年10月8日、レントゲンは黒い厚紙によって陰極線管から隔てられているはずのスクリーンが蛍光を発することに気づき、透過力の強い新種の放射線(今でいうX線)を見つけたと考えた。その翌年、蛍光性のウラン塩を研究していたアンリ・ベクレルはそれらもX線を発するのではないかと考えた。ベクレルは1896年3月1日にウラン塩が確かに放射線を発しているが種類は異なることを発見した。ウラン塩は光源のない引き出しに収められている間にもX線感光板に明瞭な像を作った。これは放射線が物質内部から発するものであって外部のエネルギー源を必要としないことを示していた。
X線には体内の骨を透視する能力があったため、レントゲンの発見は科学者のみならず一般人からも広く関心を集めた。一方でベクレルの発見はこの時点ではほとんど影響力を持たなかった。ベクレル自身もすぐに別の研究に移った。しかしマリ・キュリーは手に入る限りの元素と鉱石試料を用いてベクレル線の有無を試験し、1898年4月にトリウムからの放射を検出した。この現象に放射能 (radioactivité) の名を与えたのはキュリーである。キュリーは夫ピエールやギュスターヴ・ベモンとともにピッチブレンド(ウランを含む鉱石)の研究を始め、含有されるウランよりもピッチブレンド全体の方が強い放射能を持つことを見出した。ウラン以外の放射性元素が存在するということだった。そのうちの一つは化学的にビスマスと似ているが強い放射能を持っていた。キュリーらは1898年7月に刊行された論文でそれが新しい元素だと述べ、「ポロニウム」と名付けた。もう一つの化学的性質はバリウムと似ており、1898年12月の論文でこの第二の未知元素「ラジウム」の発見が報告された。科学界を納得させるのはまた別の問題だった。ピッチブレンドに含まれるラジウムをバリウムから分離するのは非常に困難だった。1/10グラムの塩化ラジウムを作成するのに3年かかり、ポロニウムの単離はついに成功しなかった。
1898年にアーネスト・ラザフォードはトリウムが放射性の気体を放出すると述べた。ラザフォードはこの気体の放射能を研究する中でベクレル放射線を二つに分け、それぞれアルファ放射、ベータ放射と呼んだ。続いてポール・ヴィラールが第三のベクレル放射線を発見した。これはラザフォードの命名法にならってガンマ線と呼ばれた。キュリーはラジウムもまた放射性の気体を放出することに気づいたが、その化学的同定は思うようにいかなかった。ラザフォードとフレデリック・ソディは気体がアルゴンのように不活性であることを見出した。後にこの気体はラドンとして知られるようになる。ラザフォードはベータ線が陰極線(電子線)と同じものだと突き止め、さらにアルファ粒子がヘリウム原子核だという仮説を立てた(1909年にトーマス・ロイズによって証明された)。元素の放射性崩壊を子細に観察したラザフォードとソディは、放射性生成物を特徴的な崩壊速度によって分類し、半減期の概念を導入した。1903年にはソディとマーガレット・トッドが化学的・分光学的に同一だが放射性半減期の異なる原子に「同位体」という呼び名を与えた。ラザフォードは密度が高く正電荷を帯びた微小な原子核の周りを負電荷を帯びた電子が周回している原子モデル(ラザフォードの原子模型)を提唱した。1913年にニールス・ボーアは電子の量子的な性質を取り入れてモデルを改良した(ボーアの原子模型)。
ソディとカジミエシュ・ファヤンスは1913年にそれぞれ独立に、アルファ崩壊を起こした原子は周期表上の位置を2つ下げ、ベータ粒子を2つ失うことで元の位置に戻ることを発見した。この発見を元に整理された周期表ではラジウムは第2族、アクチニウムは第3族、トリウムは第4族、ウランは第6族に配置され、トリウムとウランの間に空白が残った。ソディはそこに入るはずの未知の元素「エカタンタリウム(メンデレーエフの命名法にならって)」がアルファ放出体であり、化学的にタンタリウム(今でいうタンタル)と似ていると予言した。それから間もなく、ファヤンスとオズヴァルト・ヘルムート・ゲーリングが崩壊生成物であるベータ放射性トリウムの孫生成物を発見した。前述のソディ=ファヤンスの法則によるとこれこそ求める元素の同位体であり、ファヤンスらは半減期の短さ (brevity) から元素名を「ブレヴィウム」と決めた。しかしこの同位体はベータ放射性であり、周期表で二つ下に位置するアクチニウムの母核種にはなりえない。同じ元素の同位体がほかに存在するはずだった。
ベルリンのベルリン=ダーレムにあるカイザー・ヴィルヘルム研究所に所属する2人の科学者が所在不明の同位体を探し出す課題を引き受けた。オットー・ハーンは有機化学者としてマールブルク大学を卒業した後にユニヴァーシティ・カレッジ・ロンドンのウィリアム・ラムゼー卿の下で博士研究員を勤め、さらにラザフォードのいるマギル大学で放射性同位体を研究した。1906年にドイツに戻るとフリードリヒ・ヴィルヘルム大学でエミール・フィッシャーの助手になった。マギル大学では物理学者との密接な共同研究に慣れていたので、ここでもリーゼ・マイトナーとチームを組んだ。マイトナーは1906年にウィーン大学始まって以来二人目の女性博士となり、ベルリンに移ってフリードリヒ・ヴィルヘルム大学でマックス・プランクから物理学を学んでいた。控えめなマイトナーにとって、同世代の気さくなハーンは年上の錚々たる研究者のように縮こまらなくて済む相手だった。1913年、ハーンとマイトナーは設立されたばかりのカイザー・ヴィルヘルム化学研究所に移った。古い研究室は放射性物質で汚染され、弱い放射能を調べるのに向かなくなっていたため、新しい研究室は研究のチャンスを広げてくれた。ハーンらはピッチブレンドからタンタルの仲間を分離する新しい技術を開発し、それによって効率よく新しい同位体が分離できることを期待した。
1914年に勃発した第一次世界大戦によって研究は中断させられた。ハーンは召集されてドイツ陸軍に入隊し、マイトナーはオーストリア陸軍病院の放射線看護師に志願した。1916年にマイトナーはカイザー・ウィルヘルム研究所に復帰したが、このころにはハーン以外にもほとんどの学生、研究室助手や技師が召集されていた。ハーンが休暇で帰郷したときに短期間手伝うのを除けば、何もかもマイトナーが一人でやらなければならなかった。1917年12月までに物質の分離が成功し、さらなる研究によって求めていた同位体であることが確かめられた。マイトナーはこの発見を1918年3月に投稿した。
この元素を最初に発見したのはファヤンスとゲーリングだが、元素を代表する同位体は最も長寿命で存在比の高いものでなければならない慣習があり、ブレヴィウムは不適格と思われた。マイトナーは元素にプロトアクチニウムの名と元素記号Paを与え、ファヤンスも同意した。1918年6月、ソディとジョン・アーノルド・クランストンは自分たちも同じ同位体を抽出していたと発表したが、マイトナーのように性質を突き止めるには至っていなかった。ソディらもマイトナーの先取権を認め、命名を受け入れた。既知のウラン同位体の崩壊系列にプロトアクチニウムは含まれなかったため、ウランと新元素とのつながりは謎のまま残された。この謎は1929年にウラン235が発見されたことで解消した。
1925年、パトリック・ブラケットは窒素にアルファ粒子を衝突させることで酸素への核変換を実現した。核種を現代的な記号で表せば次のような反応だった。
14 + 4 → 17 + p
核反応、すなわち、ある原子核崩壊によって放出された粒子が別の原子核を変換させる反応が確認されたのはこれが初めてだった。完全に人工的な核反応と核変換は1932年4月にアーネスト・ウォルトンとジョン・コッククロフトによって実現した。二人は人工的に加速させた陽子によってリチウムを二つのアルファ粒子に分かれさせた。この偉業は一般に「原子の分割」として知られたが、内部的な放射性崩壊過程を誘発したわけではないので核分裂反応とは異なる。コッククロフトとウォルトンの偉業よりほんの数週間早く、キャヴェンディッシュ研究所に所属するもう一人の科学者ジェームズ・チャドウィックが、封蝋で作られた精巧な器具を用いて、ベリリウムとアルファ粒子の間の以下のような反応を通じて中性子を発見した。
9 + 4 → 12 + n
イレーヌ・キュリーとフレデリック・ジョリオはアルミ箔にアルファ粒子を照射し、半減期3分ほどの短命なリンの放射性同位体が生成することを発見した。
27 + 4 → 30 + n
生成物はさらなる崩壊によってケイ素の安定同位体になる。
30 → 30 + e+
キュリーらは中性子の放出が止んでからも放射能が残っていることに気づいていた。二人は陽電子放出という新しい形の放射性崩壊を発見しただけでなく、ある元素を別元素のそれまで知られていなかった放射性同位体に変換し、それによって元の元素が持たなかった放射能を発現させたことになる。核変換の発見により、特定の重元素に限定されていた放射化学は周期表全体に拡張された。
チャドウィックは、電気的に中性である中性子は陽子やアルファ粒子よりも容易に原子核を貫通するだろうと述べた。ローマのエンリコ・フェルミとその同僚たち(エドアルド・アマルディ、オスカー・ディアゴスティーノ、フランコ・ラゼッティ、エミリオ・セグレら)はこのアイディアを取り入れた。ラゼッティは1931年にマイトナーの研究室を訪ねたことがあり、中性子発見後の1932年に再訪してポロニウム−ベリリウム中性子線源の作成法を教わった。ローマに戻ったラゼッティはガイガー計数管とマイトナーの霧箱の複製を作成した。フェルミは当初、チャドウィックとキュリーがそうしたようにポロニウムをアルファ線源として中性子源を構成するつもりだった。アルファ線源としてはラドンの方が強力だったが、同時にベータ線とガンマ線を発生するため室内の検出機器を大きく誤作動させる恐れがあった。しかし、ラゼッティがポロニウム−ベリリウム線源を作成する前にイースター休暇に行ってしまい、残されたフェルミはあることに気が付いた。興味があるのは反応が終わった後の物質なのだから、中性子線の照射とは別の階で放射線の検出を行えばいいのである。この種の中性子源はベリリウム粉末をカプセルに封入するだけですぐ作れた。さらにラドンは入手が容易だった。ジュリオ・チェーザレ・トラバッチは1グラム以上のラジウムを所有しており、それが生成するラドンを快くフェルミに提供してくれた。ラドンはラジウムから絶え間なく生成するうえ、半減期が3.82日しかないので取っておいても無駄になってしまう。
フェルミらはまず水に対して、次に周期表の軽い側からリチウム、ベリリウム、ホウ素、炭素と流れ作業のように中性子線照射を試していったが、いずれも放射能を示さなかった。アルミニウム、続いてフッ素で最初の成功が訪れた。最終的に22種の元素が中性子線照射による誘導放射能を示した。フェルミが論文の前刷りを送付した一握りの物理学者の中にマイトナーがおり、すぐにアルミニウム、ケイ素、リン、銅、亜鉛で追試を行って報告した。フェルミの論文が掲載された La Ricerca Scientifica 誌がコペンハーゲン大学にあるニールス・ボーアの理論物理研究所に届くと、そこの物理学者で唯一イタリア語を読めたオットー・フリッシュ(マイトナーの甥)は同僚から翻訳をせがまれることになった。ローマのグループは希土類金属の試料を持っていなかったが、ボーアの研究所ではゲオルク・ド・ヘヴェシーがアウエルゲゼルシャフト社から提供された希土類金属酸化物を一そろい所有しており、それを使ってド・へヴェシーとヒルデ・レヴィが実験を行った。
当時知られていた一番重い元素であるウラン(陽子数92)にさしかかったところでローマのグループは困難に直面した。ウランは自然の状態でも彼らの中性子線源と同じくらい放射能が強かったのである。生成物には複数の半減期が複雑に共在していた。ソディ=ファヤンスの法則を頼りに(化学的性質が未知の元素は飛ばして)鉛、ビスマス、ラジウム、アクチニウム、トリウム、プロトアクチニウムの有無を確かめていったが、いずれも検出されなかった(それは正しかった)。フェルミは中性子線照射によって三種類の核反応が引き起こされたと書いている。アルファ粒子放出 (n, α) 、陽子放出 (n, p) 、ガンマ線放出 (n, γ) である。いずれの反応でも新しく生成した同位体はベータ崩壊を起こし、周期表を一つ上昇した。
生成物のうち、半減期13分のベータ放出体はレニウムに似た化学的性質を持っていた。フェルミは当時の周期表に基づいて93番目の元素がエカレニウム(周期表でレニウムの下に位置する元素)であり、マンガンやレニウムと似ていると信じていた。フェルミは中性子を捕獲したウランが一つ重い陽子数93の元素に転換したと考え、1934年6月に『ネイチャー』誌で発表した。論文ではそのような重元素の存在が疑問の余地なく立証できたとは書かれなかったが、「人工的な新元素の合成」は一般にも大きく報じられた。フェルミは陽子数93と94の2種類の新元素をそれぞれオーソニウムとへスペリウムと名付けた。現在の目からみると、フェルミらが検出した「93番元素」は当時未発見だったテクネチウムで間違いない。この元素は原子番号が43で、周期表ではマンガンとレニウムの間に位置している。
レオ・シラードとトマス・A・チャルマーズは、ガンマ線照射ベリリウムから発生した中性子がヨウ素に捕獲されることを報告した。この反応はフェルミも指摘していた。マイトナーはこの実験を追試する中で、ガンマ−ベリリウム線源からの中性子はヨウ素、銀、金のような重い元素に捕獲されるがナトリウム、アルミニウム、シリコンのような軽い元素には捕獲されないことを見出した。マイトナーは遅い中性子の方が速い中性子より捕獲されやすいと結論付け、1934年10月に Naturwissenschaften 誌で発表した。それまで誰もが中性子も高エネルギーの方が反応しやすいと考えていたのだが、その必要があるのはアルファ粒子や陽子のように原子核のクーロン障壁に打ち勝たなければならない場合だけだった。電気的に中性である中性子の場合、動きが遅く原子核の近辺にとどまる時間が長いほど捕獲される可能性が高くなるのである。その数日後、フェルミは同僚が見つけた奇妙な現象について考察していた。ウランを実験室のどこに置くかによって異なる反応が見られるというのだ。木製の実験台の上で中性子照射を行うと、同じ部屋にある大理石製の実験台で行うよりも強く放射能が誘発された。フェルミは一考の上、中性子線源とウランの間に一片の石ロウを置いてみた。放射能はこれによって劇的に強まった。フェルミは中性子が石ロウや木に含まれる水素原子と衝突したせいで遅くなったと考えた。そのころローマのグループから唯一の化学者だったダゴスティーノが、次いでラゼッティとセグレが離脱し、ただ二人残されたフェルミとアマルディは核変換の研究をあきらめて遅い中性子に注力することにした。
1934年当時に最先端だった原子核のモデルはジョージ・ガモフが1930年に初めて提唱した液滴模型である。ガモフの単純でエレガントなモデルはカール・フリードリヒ・フォン・ヴァイツゼッカーによって、中性子の発見を挟んで1935年にはヴェルナー・ハイゼンベルクによって、さらに1936年にニールス・ボーアによって洗練されていき、実験事実と非常によく一致した。このモデルでは強い核力が核子を互いに結びつけ、最小体積の形状(球)を作らせる。核力は陽子間に長距離ではたらく静電的なクーロン反発力を上回るだけの強さがある。このモデルはエネルギー的な競合のもとでのパターン形成の理論として21世紀においても使われ続けている。1934年の時点でこの理論は、物理学者がすでに知っていると思っていたことを追認する役割を果たしていた。それは、原子核が静的なものであり、衝突によって核からアルファ粒子より大きい粒子が弾き出される見込みは実質的にゼロだということである。
フェルミは1938年に「中性子線照射によって新しい放射性元素が生成したことを証明し、それと関連して遅い中性子によって誘発される新しい核反応を発見した」ことでノーベル物理学賞を受賞した。しかし、中性子を捕獲したウランがベータ崩壊によって周期表を一つ上り、当時未確認だった超ウラン元素へと変化したというフェルミの説明に対する反論もあった。中性子で核を破壊する場合には、陽子やアルファ粒子の照射では見られなかったまったく新しい種類の核反応が起きるという仮定も十分に成り立つ。これまでに分かっているところでは、核変換は必ず電子、陽子、ヘリウム原子核のいずれかの放出を伴っており、それによって重元素はわずかに質量の異なる近傍の元素へと変化する。だが重元素への中性子照射では核がいくつかの大きな破片に分かれることも考えられる。それは当然ながら既知の元素の同位体であろうが、照射された元素の近傍ではないだろう。
イーダ・ノダックが1934年9月に発表したこの論文はローマのフェルミらや、パリのキュリーとジョリオ、ベルリンのハーンとマイトナーの目に触れた。実のところノダックは正鵠を得ていたのだが、引用部分は論点のごく一部に過ぎず、あまり注目されなかった。当時の理論物理学者にとって核がそれほど大きな変化を起こす可能性は想像の埒外だった。またフェルミらはノダックと別件で論争しており、新たな批判を好意的には受け止めなかった。マイトナーもノダックの主張を気に留めなかった。ノダックが女性であることで偏見を抱いたわけではないだろうが、マイトナーは同僚のハーンに 「雄鶏さん(ハーンはドイツ語で鶏を意味する)、物理のことは何も分かってないのね」と言ってはばからなかった人物である。その辛辣さは、新しい原子核模型を立てるでもなく、実験で主張を実証することもなかったノダックに対しても向けられた。ノダックは高名な分析化学者だったが物理の知識に欠けており、自分がどれだけ大それたことを提案しているか分かっていなかった。エミリオ・セグレは後の回想で、ノダックの批判を「科学以前のもの」と言いつつ、「人は予想しているものしか見えない」と述べている。
フェルミの主張を批判したのはノダックだけではなかった。アリスティッド・フォン・グローセはフェルミの見つけた同位体がプロトアクチニウムではないかと指摘した。マイトナーはこの問題を追求することに意欲をかきたてられたが、熟練の化学者の手を借りる必要を認識し、知っている中で最高の化学者であるハーンを望んだ。二人がそれぞれ物理部門・化学部門の長として別々に学生や研究プログラムを抱えるようになってから何年も経っており、最初ハーンは共同研究に興味を示さなかった。しかしフォン・グローセがプロトアクチニウムに言及したことで気を変えた。後にハーンはこう書いている。「唯一の問題は、フェルミが見つけたものが超ウラン元素の同位体なのか、それとも一つ低い元素プロトアクチニウムの同位体なのかということのように思われた。リーゼ・マイトナーと私はこのとき、フェルミの実験を繰り返して、その13分の同位体がプロトアクチニウムなのかどうか確かめようと決めた。プロトアクチニウムを発見した私たちとしては当然の決断だった」
1935年の初め、ハーンとマイトナーはフリッツ・シュトラスマンをチームに加えた。シュトラスマンは1929年にハノーファー工科大学で分析化学の博士号を取得し、ハーンの下で学ぶことが将来の職につながると信じてカイザー・ヴィルヘルム化学研究所に来た。そこでの仕事と同僚は性に合っており、1932年に奨学金が切れた後も留まり続けた。しかし1933年にナチ党がドイツの政権を握ると雲行きが変わってきた。シュトラスマンは好条件の就職話に出会ったが、政治的教育とナチ党への入党が条件だったため断った。さらにナチス傘下のドイツ労働戦線に吸収されたドイツ化学会を退会した。その結果、化学産業で働くことも、ドイツで研究者として独り立ちするのに必要な大学教員資格を取ることもできない立場となった。マイトナーは所長となっていたハーンを説得し、特別経費から予算を割いてシュトラスマンを雇わせた。1935年に給料半額の助手になったシュトラスマンは、その後すぐにマイトナーらの論文に共著者として名を連ねていくことになる。
1933年の職業官吏再建法によりユダヤ人は学術界を含む公務員職から追放された。マイトナーはユダヤ系の血筋を隠していなかったが、いくつかの理由で当初この法の影響を免れていた(1914年より前から職に就いており、第一次大戦中に軍で働いており、ドイツ人ではなくオーストリア国籍であり、さらにカイザー・ヴィルヘルム研究所は政府と産業界の共同経営だった)。しかし第一次大戦での奉仕が前線ではなかったことと1922年まで大学教員資格を得ていなかったことが理由でベルリン大学外部教授の地位からは追われることになった。カイザー・ヴィルヘルム研究所の主要な出資者の一つIGファルベンの取締役だったカール・ボッシュはマイトナーに同所での地位を保証し、マイトナーも留まることに同意した。反ナチ姿勢を共有するマイトナー、ハーン、シュトラスマンは研究所の中で孤立し、そのぶん三人の間の個人的な絆を強めていった。一方で、研究所の運営業務がハーンやマイトナーの手から離れたことで研究時間が十分取れるようにもなった。
ベルリンのグループはまず、フェルミが使っていたものと似たラドン−ベリリウム線源によってウラン塩に中性子を照射した。次にウラン塩を溶解し、過レニウム酸塩カリウム、塩化白金、水酸化ナトリウムを加えた。ここまででトリウム、プロトアクチニウム、ウランが沈殿するので、超ウラン元素が存在するなら溶液中に残っているはずだった。溶液を硫化水素で酸性化すると硫化白金と硫化レニウムの沈殿が得られた。フェルミは4種の放射性同位体の存在を報告しており、長寿命なものは半減期が13分と90分だったが、2種類の沈殿物からその二つが検出された。次にマイトナーらは、プロトアクチニウムの試験として溶液にプロトアクチニウム234を加えた。プロトアクチニウムが沈殿したとき、そこに半減期13分と90分の同位体は含まれていなかった。すなわちフォン・グローセは誤っており、それらの放射性同位体はプロトアクチニウムではなかった。さらに、諸々の化学反応により周期表上で水銀より重い元素はいずれも除外された。90分の放射能が硫化オスミウムによって沈殿し、13分間の放射能が硫化レニウムによって沈殿することが見出され、二種の同位体が同じ元素だという可能性も除かれた。これらすべてが、それら二種がオスミウムやレニウムと似た化学的性質を持つ超ウラン元素だという強い証拠となった。
フェルミはまた、速い中性子と遅い中性子がそれぞれ別の放射能を発生させると報告していた。複数の反応が起こっているということだ。マイトナーらはこの現象を再現することができず、中性子の速さの効果を調べるため独自の道に踏み込んでいった。実験は研究所の一階にあるマイトナーの区画で行われていたが、事故があった場合に放射能汚染を防ぐため段階ごとに別々の部屋が用いられた。ある実験室で中性子線照射、別の部屋で化学分離、第三の部屋で放射能測定といった具合である。用いた実験装置はシンプルなもので、ほとんどが手製だった。
発見された半減期は1936年3月までに10種に増えたが、確からしさはまちまちだった。マイトナーはそれらを説明するために新しい (n, 2n) 型の反応や、ウランのアルファ崩壊を仮定しなければならなかった。この二つはそれまで報告されたことがなく、物理的な証拠もなかった。そこでハーンとシュトラスマンは化学的な実験方法を見直し、マイトナーは反応過程を説き明かすための実験を新たに考案した。1937年5月、三人は2編の報告を同時に刊行した。マイトナーを筆頭著者とする1編は Zeitschrift für Physik 誌に、ハーンを筆頭著者とする1編は Chemische Berichte 誌に発表された。ハーンは自著論文を以下のように語気鋭く締めくくった。「いずれにせよ、この物質があらゆる既知の元素と化学的に峻別されることは論を待たない」。その一方でマイトナーは確信を失っていた。彼らはそれまでに、(n, γ) 反応から始まって超ウラン元素が生成する崩壊列を次のように3通り構築していた。