核分裂の発見
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。
23892U + n → 23992U (10 sec) → 23993ekaRe (2.2 min) → 23994ekaOs (59 min) → 23995ekaIr (66 h) → 23996ekaPt (2.5 h) → 23997ekAu (?)
23892U + n → 23992U (40 sec) → 23993ekaRe (16 min) → 23994ekaOs (5.7 h) → 23995ekaIr (?)
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。
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。
と言ってもトリウムがウランより扱いやすいわけではなかった。たとえばトリウムの崩壊生成物の一つラジオトリウム (22890Th) は放射能が強く、中性子が誘起する弱い放射能を覆い隠してしまう。しかしハーンとマイトナーは、ラジオトリウムの母同位体メゾトリウム (22888Ra) を数年にわたって除去し続けることでラジオトリウムが一掃されたトリウム試料を持っていた。それでもなお、中性子照射による崩壊生成物がトリウム本来の放射性崩壊による生成物と同じ元素の同位体だったことからやはり扱いは困難だった。マイトナーらは三つの異なる崩壊系列を発見し、そのいずれも他の重元素では見られないアルファ放出体だった。マイトナーはここでも複数の核異性体の存在を仮定しなければならなかった。興味深い結果が一つあった。入射中性子のエネルギーが2.5 MeVを下回るとこれらの (n, α) 崩壊系列が同時に起きるのだが、エネルギーがそれより高ければ 23390Th を生成する (n, γ) 反応が優位になったのである。
パリではイレーヌ・キュリーとパヴレ・サヴィッチ(英語版)もフェルミの発見を再現しようと試みていた。彼らは中性子照射ウランの生成物を化学的に分離することなく、放射能分析のみで反応を解き明かそうとした。この手法は化学的に高度とは言えなかったが、ある発見につながった。他のグループは「超ウラン元素」の沈殿物に注目するあまり、濾液に残っていた元素を見逃していたのである。キュリーらはその中から新たに3.5時間の半減期を検出し、トリウムの同位体が源だという説を立てた。ベルリンのグループはこの放射能を見つけておらず、結果の信憑性を疑った。マイトナーは化学実験をほぼ任されていたシュトラスマンに追試を依頼したが、トリウムはまったく検出されなかった。