核分裂の発見
ウラン原子核の電荷は確かに大きく、表面張力の効果と拮抗するほどだった。ということはやはり、ウラン核は非常に揺らぎやすい不安定な水滴に似ているのかもしれない。それは中性子の衝突というほんのわずかな衝撃でひとりでに割れてしまうのだ。
もう一つ問題があった。二つに割れた水滴は電気的な反発力によって互いから離れていき、大きな速さ、ひいては大きなエネルギーを得るだろう。エネルギーは全体でおよそ200 MeVにもなる。それはどこから来るのだろうか? ありがたいことにリーゼ・マイトナーは原子核の質量を計算するための経験式を覚えており、ウラン原子核の分割によって生まれる二つの核の重さを合計しても元のウラン核より陽子質量の1/5だけ軽いことが分かった。質量が消失すれば必ずアインシュタインの式 E = mc に従ってエネルギーが生成する。そして陽子質量の1/5はちょうど200 MeVに等しかった。これがエネルギーの源であり、すべて丸く収まった!
マイトナーとフリッシュは、ハーンの実験結果はウラン核がほぼ真っ二つに分かれたことを示しているという正しい解釈に至った。ベルリンのグループが見つけたウランの反応系列のうち2つは核の分割によって生成した軽い元素だった。3つ目の半減期23分の核反応は正しく93番元素への崩壊だった。コペンハーゲンに戻ったフリッシュはすぐにボーアに伝え、ボーアは自分の額を平手打ちして「私たちはなんて馬鹿だったんだ!」と叫んだ。ボーアは論文が刊行されるまで何も口外しないと約束した。
米国のマンハッタン計画で秘密裏に多くの研究が行われていたことが明らかになり、ノーベル委員会化学部門は慎重に傾いて1944年のノーベル化学賞をもう1年延期する動議を出した。しかしアカデミー会員の一人イェラン・リリェストランド(英語版)は、アカデミーが大戦連合国から独立している姿勢を示すことが重要であり、フリッツ・ハーバーに賞を授与した第一次大戦後と同じくドイツ人にノーベル化学賞を贈るべきだと主張して大勢を動かした。こうしてハーンが「重い原子核の分裂を発見したことにより」1944年ノーベル化学賞の単独受賞者となった。
マイトナーは1945年11月20日に友人ビルギット・ブルーメ=アミノフへの手紙でこう書いている。
1946年、ノーベル委員会物理学部門(英語版)は、マックス・フォン・ラウエ、ニールス・ボーア、オスカル・クライン、エギル・ヒレラース、ジェイムス・フランクからマイトナーとフリッシュの推薦を受け付けた。1945年から翌年までストックホルム大学で実験物理学部門の長を務めたエリック・ハルテンが委員会への報告書を作成した。ハルテンは理論物理学が受賞に値するのは重要な実験が行われるきっかけになった場合だけだと主張した。核分裂を初めて解き明かしたマイトナーとフリッシュの役割は理解されなかった。個人的な要因もあったかもしれない。委員長マンネ・シーグバーンはマイトナーを嫌っており、推薦者クラインとは職業上のライバルだった。マイトナーとフリッシュはそれ以降も繰り返し推薦されたが、ノーベル賞を受賞することはついになかった。
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。
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(英語版)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)。