核分裂の発見
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 (仏: 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。
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(英語版)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。
マイトナーは結果を手紙でキュリーに伝え、何も言わずに主張を取り下げるよう勧めた。キュリーは3.5時間の放射能がトリウムでないことは認めたが、化学分析を通じてランタンと化学的に近いであろう物質(実際にそうだった)が源であることを発見した。分別晶析法による分離は失敗した(化学的に似ているイットリウムで沈殿物が汚染されていた可能性がある)。
1938年3月12日に起きたドイツのオーストリア併合によりマイトナーはオーストリア国籍を失い、ナチ体制下のユダヤ系ドイツ人という危うい立場になった。ジェイムス・フランクはマイトナーが米国に移民するなら費用を負担しようと申し出た。ボーアも自身の研究所に臨時のポジションを用意したが、マイトナーがビザの発行のために赴いたデンマーク大使館ではオーストリアの旅券はすでに無効だと告げられた。1938年7月13日、マイトナーはオランダの物理学者ディルク・コスタ―(英語版)に伴われて密かに出国した。出発の直前、オットー・ハーンは母親が遺したダイヤモンドの指輪をマイトナーに贈り、必要になったら換金するように言った。オランダへは無事にたどり着いたものの、周囲から疑われないようにわずかな手荷物しか持ち出せなかった。マイトナーは後年、財布に10マルクしか入れずにドイツを永遠に去ったと語っている。コスターやアドリアーン・フォッカー(英語版)の助力でコペンハーゲンに飛んだマイトナーは甥のフリッシュに迎えられ、ニールス・ボーアとその妻マルグレーテ(英語版)とともにティスヴィルデ(英語版)の別荘に滞在した。8月1日に電車で向かったストックホルムでようやくノーベル研究所に腰を落ち着けることができたが、上役マンネ・シーグバーンからは徹底した冷遇を受けた。