核分裂の発見
パリのグループは1938年9月に結果を発表した。ハーンは半減期3.5時間の同位体を汚染として片づけたが、パリグループが行った実験の詳細と崩壊曲線を見たシュトラスマンは不安に駆られた。以前にこの放射能の源を調べた時はトリウムの試験しか行っていなかった。そこで自身の効率的なラジウム分離法を試したところ、実際にラジウムらしきものが検出された。ハーンはそれが2回のアルファ崩壊から生成したという説を立てた。
23892U + n → α + 23590Th → α + 23188Ra
11月にハーンはコペンハーゲンへと赴き、ボーアとマイトナーに会った。二人はハーンにラジウム異性体説は到底受け入れられないと告げた。複数のアルファ粒子の同時放出は考えにくく、また3通りの崩壊列を説明するために核異性体を仮定しなければいけない問題点も残っていた。マイトナーは書簡でも、ラジウムの存在に確信が持てるまで発表を差し控えるよう強く勧めた。ハーンとシュトラスマンはマイトナーに従い、フェルミがストックホルムでノーベル賞を受け取るのを尻目に再度ラジウムの分離を試みた。クララ・リーバー(英語版)とイルムガルト・ボーンが助手となった。問題の3種のラジウム同位体(半減期によって同定された)は、ラジウムと化学的性質の似たバリウム担体によって分離された。次にバリウム担体からも分離するため、4回に分けて臭化バリウム結晶を加える分別晶析法が行われた。
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(英語版)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。
臭化バリウム溶液からはラジウムが優先的に沈殿するため、1回ごとの沈殿物に含まれるラジウムは後の回ほど少なくなるはずだった。しかしながら、どの回の沈殿物にも何ら差は見られなかった。ハーンらは既知のラジウムの同位体で検証を試みたが、実験手法に問題はなかった。ハーンは12月19日にマイトナーへ書簡を送り、問題の「ラジウム同位体」は化学的にバリウムと区別できないことを知らせた。クリスマス休暇前に仕事を終わらせたいと考えたハーンとシュトラスマンは、マイトナーの返事を待つことなく12月22日に Naturwissenschaften 誌へと投稿した。ナチス体制下でユダヤ人との共同研究を公にするのは自殺行為だったため、マイトナーの関与は隠された。ハーンは原子核の「爆発」が起きてバリウムが生成したと推測していたが、その解釈に自信はなかった。投稿はこう締めくくられていた。「化学者としての...我々は、Ra、Ac、Th としてきた記号を Ba、La、Ce と書き改めるべきである。しかし物理学と近い核化学者として、物理学でのいかなる経験とも矛盾するその一歩を踏み出すのに躊躇する」
フリッシュは例年のクリスマスをベルリンでマイトナーと一緒に祝うのが常だったが、1938年にはマイトナーがフォン・バールからクングエルブ(英語版)の家族と過ごすよう招待され、フリッシュにも来るよう勧めた。マイトナーはそこでハーンからの手紙を受け取った。手紙には中性子照射ウランからの生成物の一部がバリウムであることの化学的証拠が書かれていた。
コロンビア大学の多くの科学者にとって、中性子を照射されたウランの核分裂から放出されるエネルギーを確認するのは当然だと思われた。1939年1月25日、コロンビア大学の研究グループが同大ピューピン・ホール(英語版)の地下において米国初の核分裂実験を行った。電離箱に収めた酸化ウランに中性子を照射し、放出されたエネルギーを測定するというものだった。その翌日、ワシントンDCにおいてジョージ・ワシントン大学とワシントン・カーネギー協会の共催による第5回ワシントン会議が始まった。そこを起点として核分裂のニュースはさらに広まり、数多くの実験的証明が行われていった。
ボーアとホイーラーは核分裂のメカニズムを説明するために液滴モデルを改良し、著しい成功を収めた。二人の論文はドイツがポーランドに侵攻してヨーロッパに第二次世界大戦を引き起こした1939年9月1日に『フィジカル・レビュー』誌に掲載された。実験物理学者たちが核分裂の研究を進めるにつれ、不可解な結果が次々に現れた。ジョージ・プラツェック(英語版)(1934年にボーアのノーベル賞メダルを用いて金による遅い中性子の吸収を研究した人物)は、非常に速い中性子と非常に遅い中性子がどちらもウランの核分裂を引き起こすのはどうしてかとボーアにたずねた。
それから1年がかかったが、マクミランとフィリップ・アベルソンは半減期2日の生成物こそが正体不明の93番元素であることを突き止め、「ネプツニウム」と名付けた。グレン・シーボーグ、エミリオ・セグレ、ジョセフ・W・ケネディ(英語版)らも二人が拓いた道筋をたどって94番元素を発見し、1941年に「プルトニウム」と名付けた。
また別のアプローチとして、マイトナーを筆頭に、中性子照射によって核分裂を起こしうる元素がほかにもあるか調べる研究もおこなわれた。トリウムとプロトアクチニウムで可能であることはすぐに判明し、放出されたエネルギー量も測定された。ハンス・フォン・ハルバン、フレデリック・ジョリオ=キュリー、ルー・コワルスキー(英語版)らは、中性子を照射されたウランが吸収するより多くの数の中性子を放出したことを証明し、核連鎖反応が起きうることを指摘した。フェルミとアンダーソンも数週間遅れて同じ結果を得た。ここから(少なくとも理論的には)巨大なエネルギー源を作れることは多くの科学者にとって明らかだった。ただしこの時点では大半が原子爆弾は実現不能だと考えていた。