核分裂の発見
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(英語版)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。
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。
147N + 42He → 178O + 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。
94Be + 42He → 126C + 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。
2713Al + 42He → 3015P + 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。
3015P → 3014Si + 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。
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(英語版)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。