мини|десно|upright=1.35|Нуклеарна реакција коју су теоретисали Мајтнер и Фриш са следећом нуклеарном ланчаном реакцијом коју су теоретисали Хан и Штрасман
Нуклеарна фисија је откривена у децембру 1938. године од стране хемичара Ота Хана и Фрица Штрасмана и физичара Лизе Мајтнер и Ота Роберта Фриша. Фисија је нуклеарна реакција или процес радиоактивног распада у којем се језгро атома дели на два или више мањих, лакших језгара и често друге честице. Процес фисије често производи гама зраке и ослобађа веома велику количину енергије, чак и по енергетским стандардима радиоактивног распада. Научници су већ знали за алфа-распад и бета-распад, али фисија је добила велики значај јер је откриће да је нуклеарна ланчана реакција могућа довело до развоја нуклеарне енергије и нуклеарног оружја. Хан је добио Нобелову награду за хемију 1944. године за откриће нуклеарне фисије.
Хан и Штрасман су на Институт Кајзер Вилхелм за хемију у Берлину бомбардовали уранијум спорим неутронима и открили да је произведен баријум. Хан је сугерисао пуцање језгра, али није био сигуран шта је физичка основа за те резултате. Своје налазе су поштом пријавили Мајтнеровој у Шведској, која је неколико месеци раније побегла из нацистичке Немачке. Мајтнер и њен нећак Фриш су теоретисали, а затим и доказали, да је језгро уранијума подељено и објавили своје налазе у часопису Nature. Мајтнер је израчунала да је енергија ослобођена сваким распадом приближно 200 мегаелектронволти, а Фриш је то потврдио посматрањем. По аналогији са дељењем биолошких ћелија, назвао је процес „фисија”.
Откриће је уследило након четрдесет година истраживања природе и особина радиоактивности и радиоактивних супстанци. Откриће неутрона од стране Џејмса Чедвика 1932. године створило је ново средство за нуклеарну трансмутацију. Енрико Ферми и његове колеге у Риму проучавали су резултате бомбардовања уранијума неутронима, и Ферми је закључио да су његови експерименти створили нове елементе са 93 и 94 протона, које је његова група назвала аусенијум и хесперијум. Ферми је освојио Нобелову награду за физику 1938. године за своје „демонстрације постојања нових радиоактивних елемената произведених неутронским зрачењем, и за сродно откриће нуклеарних реакција изазваних спорим неутронима”. Међутим, нису сви били убеђени Фермијевом анализом његових резултата. Ида Нодак је сугерисала да је уместо стварања новог, тежег елемента 93, могуће да се језгро распало на велике фрагменте, а Аристид фон Гросе је сугерисао да је оно што је Фермијева група пронашла био изотоп протактинијума.
Ово је подстакло Хана и Мајтнерову, проналазаче најстабилнијег изотопа протактинијума, да спроведу четворогодишње истраживање процеса са својим колегом Штрасманом. Након много напорног рада и многих открића, утврдили су да је оно што су посматрали била фисија, и да су нови елементи које је Ферми пронашао били фисиони продукти. Њихов рад је преокренуо дугогодишња веровања у физици и отворио пут за откриће стварних елемената 93 (нептунијум) и 94 (плутонијум), за откриће фисије у другим елементима, и за одређивање улоге изотопа уранијум-235 у уранијуму. Нилс Бор и Џон Вилер су прерадили модел течне капљице како би објаснили механизам фисије.
Позадина Радиоактивност Последњих година 19. века, научници су често експериментисали са катодном цеви, која је до тада постала стандардни део лабораторијске опреме. Уобичајена пракса је била да се катодни зраци усмере на различите супстанце и да се види шта ће се догодити. Вилхелм Рендген је имао екран премазан баријум-платиноцијанидом који би флуоресцирао када би био изложен катодним зрацима. Дана 8. новембра 1895. приметио је да, иако његова катодна цев није била усмерена ка екрану, који је био прекривен црним картоном, екран је ипак флуоресцирао. Убрзо се уверио да је открио нову врсту зрака, који се данас називају Рендгенски зраци. Следеће године Анри Бекерел је експериментисао са флуоресцентним солима уранијума и питао се да ли би и оне могле производити Рендгенске зраке. Дана 1. марта 1896. открио је да оне заиста производе зраке, али друге врсте, и да чак и када је со уранијума држана у тамној фиоци, и даље је стварала интензивну слику на рендгенској плочи, указујући да зраци долазе изнутра и да не захтевају спољашњи извор енергије.
мини|лево|Периодни систем око 1930. За разлику од Рендгеновог открића, које је било предмет широке радозналости научника и лаика због способности икс-зрака да учине видљивим кости унутар људског тела, Бекерелово откриће имало је мали одјек у то време, а сам Бекерел је убрзо прешао на друга истраживања. Марија Кири је тестирала узорке онолико елемената и минерала колико је могла да пронађе тражећи знаке Бекерелових зрака, и у априлу 1898. такође их је пронашла у торијуму. Феномену је дала назив „радиоактивност”. Заједно са Пјером Киријем и Густавом Бемонтом, почела је да истражује уранинит, руду која садржи уранијум, за коју је утврђено да је радиоактивнија од уранијума који садржи. Ово је указивало на постојање додатних радиоактивних елемената. Један је био хемијски сличан бизмуту, али јако радиоактиван, и у јулу 1898. објавили су рад у којем су закључили да је то нови елемент, који су назвали „полонијум”. Други је био хемијски сличан баријуму, и у раду из децембра 1898. објавили су откриће другог до тада непознатог елемента, који су назвали „радијум”. Убеђивање научне заједнице било је друга ствар. Одвајање радијума од баријума у руди показало се веома тешким. Требало им је три године да произведу десети део грама радијум-хлорида, а никада нису успели да изолују полонијум.
Године 1898. Ернест Радерфорд је приметио да торијум испушта радиоактивни гас. Испитујући зрачење, класификовао је Бекерелово зрачење у два типа, која је назвал α (алфа) и β (бета) зрачење. Накнадно, Пол Вилар је открио трећи тип Бекереловог зрачења који су, пратећи Радерфордову шему, названи „гама зраци”, а Кири је приметио да радијум такође производи радиоактивни гас. Хемијска идентификација гаса показала се фрустрирајућом; Радерфорд и Фредерик Соди су открили да је инертан, слично као аргон. Касније је постао познат као радон. Радерфорд је идентификовао бета зраке као катодне зраке (електроне), и хипотетисао — а 1909. са Томасом Ројдсом доказао — да су алфа честице језгра хелијума. Посматрајући радиоактивни распад елемената, Радерфорд и Соди су класификовали радиоактивне производе према њиховим карактеристичним брзинама распада, уводећи концепт времена полураспада. Године 1903, Соди и Маргарет Тод применили су термин „изотоп” на атоме који су били хемијски и спектроскопски идентични, али су имали различита радиоактивна времена полураспада. Радерфорд је предложио модел атома у којем је веома мало, густо и позитивно наелектрисано језгро од протона окружено орбитирајућим, негативно наелектрисаним електронима (Радерфордов модел). Нилс Бор је то побољшао 1913. године усклађујући га са квантним понашањем електрона (Боров модел).
Протактинијум мини|десно|upright|Ланац распада актинијума. Алфа-распад помера два елемента ниже; бета-распад помера један елемент више. Соди и Казимир Фајанс су независно приметили 1913. године да алфа распад изазива померање атома за два места ниже у периодном систему, док га губитак две бета честице враћа на првобитну позицију. У резултујућој реорганизацији периодног система, радијум је стављен у групу II, актинијум у групу III, торијум у групу IV и уранијум у групу VI. Ово је оставило празнину између торијума и уранијума. Соди је предвидео да ће овај непознати елемент, који је (по Дмитрију Мендељејеву) назвао „екатанталијум”, бити алфа емитер са хемијским особинама сличним танталијуму (сада познат као тантал). Није прошло много времена пре него што су га Фајанс и Освалд Хелмут Геринг открили као производ распада бета-емитујућег производа торијума. На основу закона радиоактивног померања Фајанса и Содија, ово је био изотоп недостајућег елемента, који су назвали „бревијум” због његовог кратког времена полураспада. Међутим, то је био бета емитер и стога није могао бити мајчински изотоп актинијума. То је морао бити други изотоп.
Два научника на Институту Кајзер Вилхелм (KWI) у Берлин-Далему прихватила су изазов проналажења недостајућег изотопа. Ото Хан је дипломирао на Универзитету у Марбургу као органски хемичар, али је био постдокторски истраживач на Универзитетском колеџу Лондон код сер Вилијама Ремзија, и код Радерфорда на Универзитету Макгил, где је проучавао радиоактивне изотопе. Године 1906. вратио се у Немачку, где је постао асистент Емила Фишера на Универзитету у Берлину. На Макгилу је навикао да блиско сарађује са физичарем, па се удружио са Лизом Мајтнер, која је докторирала на Универзитету у Бечу 1906. године, а затим се преселила у Берлин да студира физику код Макса Планка на Универзитету Фридрих Вилхелм. Мајтнерова је сматрала да је Хан, који је био њених година, мање застрашујући од старијих, угледнијих колега. Хан и Мајтнерова су се преселили у недавно основани Институт Кајзер Вилхелм за хемију 1913. године, и до 1920. постали шефови својих лабораторија тамо, са сопственим студентима, истраживачким програмима и опремом. Нове лабораторије нудиле су нове могућности, јер су старе постале превише контаминиране радиоактивним супстанцама да би се истраживале слабо радиоактивне супстанце. Развили су нову технику за одвајање групе тантала из уранинита, за коју су се надали да ће убрзати изолацију новог изотопа.
мини|лево|upright=1.3|Ото Хан и Лиза Мајтнер 1912. године. Рад је прекинут избијањем Првог светског рата 1914. године. Хан је позван у Немачку војску, а Мајтнерова је постала добровољни радиограф у болницама Аустријске војске. Вратила се у Институт Кајзер Вилхелм у октобру 1916. Хан се придружио новој јединици за гас у Царском штабу у Берлину у децембру 1916. након путовања између западног и источног фронта, Берлина и Леверкузена између лета 1914. и краја 1916.
Већина студената, лабораторијских асистената и техничара била је позвана у војску, тако да су Хан, који је био стациониран у Берлину између јануара и септембра 1917, и Мајтнерова морали све да раде сами. До децембра 1917. успела је да изолује супстанцу, а након даљег рада успели су да докажу да је то заиста недостајући изотоп. Мајтнерова је поднела своје и Ханове налазе за објављивање у марту 1918. научном часопису Physikalische Zeitschrift под насловом .
Иако су Фајанс и Геринг први открили елемент, обичај је налагао да елемент буде представљен својим најдуговечнијим и најзаступљенијим изотопом, а бревијум није изгледао прикладно. Фајанс се сложио да Мајтнерова и Хан назову елемент протактинијум и доделе му хемијски симбол Pa. У јуну 1918, Соди и Џон Кранстон објавили су да су екстраховали узорак изотопа, али за разлику од Хана и Мајтнерове нису били у стању да опишу његове карактеристике. Признали су приоритет Хана и Мајтнерове и сложили се са именом. Веза са уранијумом остала је мистерија, јер се ниједан од познатих изотопа уранијума није распадао у протактинијум. То је остало нерешено све док уранијум-235 није откривен 1929. године.
За своје откриће Хан и Мајтнерова су више пута номиновани за Нобелову награду за хемију 1920-их година од стране неколико научника, међу којима су били Макс Планк, Хајнрих Голдшмит и сам Фајанс. Године 1949, Међународна унија за чисту и примењену хемију (IUPAC) дефинитивно је назвала нови елемент протактинијум и потврдила Хана и Мајтнерову као проналазаче.
Трансмутација мини|десно|upright=1.3|Ирена Кири и Фредерик Жолио у својој лабораторији у Паризу 1935. Патрик Блекет је успео да постигне нуклеарну трансмутацију азота у кисеоник 1925. године, користећи алфа честице усмерене на азот. У модерној нотацији за атомска језгра, реакција је била: + → + p