vignette|La réaction nucléaire théorisée par Meitner et Frisch déclenche la réaction nucléaire en chaîne prédite par Hahn et Strassmann. La fission nucléaire, découverte en par les chimistes Otto Hahn et Fritz Strassmann et les physiciens Lise Meitner et Otto Robert Frisch, est une réaction nucléaire (un processus de désintégration radioactive) au cours de laquelle le noyau d'un atome se divise en deux noyaux (voire trois ou plus) plus petits et plus légers, avec, dans la plupart des cas, émission d'autres particules. Le processus de fission s'accompagne souvent de rayons gamma et il libère une très grande quantité d'énergie, même en le comparant aux autres désintégrations radioactives. Les scientifiques connaissaient déjà la désintégration alpha et la désintégration bêta, mais la fission a pris une importance toute particulière après la découverte qu'il était possible de produire une réaction en chaîne, ce qui a conduit au développement de l'énergie nucléaire et des armes nucléaires. Hahn a reçu le prix Nobel de chimie en 1944 pour la découverte de la fission nucléaire.

Alors qu'ils bombardaient de l'uranium avec des neutrons lents, Hahn et Strassmann de l'Institut de chimie Kaiser Wilhelm à Berlin ont découvert qu'il se produisait du baryum. Hahn suggéra qu'il devait se produire un éclatement du noyau, mais il n'était pas entièrement certain de la base physique de ses résultats. Hahn et Strassmann ont donc rapporté leur découverte par courrier à Meitner, qui se trouvait en Suède après avoir fui l'Allemagne nazie quelques mois auparavant. Meitner et son neveu Frisch ont alors théorisé, puis prouvé, que le noyau d'uranium se divisait lors de la réaction. Ils ont ensuite publié leur découverte dans la revue Nature. Meitner avait calculé que l'énergie libérée lors de chaque désintégration était d'environ (MeV), ce que Frisch observa par la suite. Par analogie avec la division des cellules biologiques, il nomma le processus « fission ».

La découverte était intervenue après quarante années d'investigations sur la nature et les propriétés de la radioactivité et des substances radioactives. La découverte du neutron par James Chadwick en 1932 avait fourni un nouveau moyen pour induire les transmutations nucléaires. En utilisant cette technique à Rome, Enrico Fermi et ses collègues avaient étudié les résultats du bombardement de l'uranium par des neutrons. Fermi en conclut que ses expériences devaient créer deux nouveaux éléments comportant 93 et 94 protons, que l'équipe avait surnommés respectivement ausénium et hespérium. Fermi remporta le prix Nobel de physique en 1938 pour ses « démonstrations de l'existence de nouveaux éléments radioactifs produits par irradiation neutronique, et pour sa découverte connexe des réactions nucléaires provoquées par des neutrons lents ». Cependant, tout le monde n'était pas convaincu par l'analyse de Fermi. Ida Noddack suggérait qu'au lieu de créer un nouvel élément plus lourd de numéro atomique 93, il était concevable que le noyau puisse se casser en gros fragments, alors que pour Aristid von Grosse, ce que le groupe de Fermi avait trouvé devait être un isotope du protactinium.

Tout ceci avait incité Hahn et Meitner, qui avaient trouvé l'isotope le plus stable du protactinium, à poursuivre, avec leur collègue Strassmann, une investigation de quatre années sur le bombardement de l'uranium. Après un travail acharné et de nombreuses découvertes, ils ont finalement déterminé que ce qu'ils observaient était la fission du noyau et que les nouveaux éléments que Fermi avait trouvés étaient les produits de cette fission. Leurs travaux ont bouleversé des croyances physiques qui avaient persisté de nombreuses années. Ils ont également ouvert la voie à d'autres recherches qui ont conduit à la découverte des « vrais » éléments de numéro atomique 93 (le neptunium) et 94 (le plutonium), à la découverte que d'autres éléments pouvaient fissionner et à la détermination du rôle de l'isotope 235 de l'uranium. Niels Bohr et John Wheeler ont alors retravaillé le modèle de la goutte liquide pour expliquer le mécanisme de la fission.

Contexte

Radioactivité Vers la fin du XIXe siècle, le tube cathodique était devenu un équipement de laboratoire courant, et de nombreux scientifiques l'utilisaient fréquemment au cours de leurs expériences. Une pratique souvent utilisée consistait à diriger les rayons cathodiques vers diverses substances et à regarder ce qui se passait. En 1895, un de ces scientifiques, Wilhelm Röntgen, utilisait un écran recouvert de platinocyanure de baryum qui devenait fluorescent lorsqu'il était exposé aux rayons cathodiques. Le , il remarqua que même lorsque le tube cathodique n'était pas dirigé vers l'écran (qu'il avait recouvert de carton noir) celui-ci continuait à être fluorescent. Il fut rapidement convaincu qu'il venait de découvrir un nouveau type de rayonnement, que l'on appelle aujourd'hui les rayons X. L'année suivante, Henri Becquerel expérimentait des sels d'uranium fluorescents. Il se demandait si eux aussi pouvaient produire des rayons X. Le , il découvrit que l'uranium produisaient effectivement des rayons, mais qu'ils étaient d'une nature différente. Même lorsque les sels d'uranium étaient conservés dans un tiroir sombre, il continuaient à produire une image intense sur une plaque sensible aux rayons X, ce qui indiquait que les rayons venaient de l'intérieur et ne nécessitaient pas de source d'énergie externe. gauche|vignette| Le tableau périodique des éléments vers 1930. La découverte de Röntgen avait fait l'objet d'une grande curiosité parmi les scientifiques (de même que parmi les profanes) à cause de la capacité qu'avaient les rayons X à rendre visibles les os du corps humain. Au contraire, la découverte de Becquerel avait eu peu d'impact à l'époque, et Becquerel lui-même était rapidement passé à d'autres recherches. À Paris, Marie Curie se mit à tester des échantillons de tous les éléments et les minéraux qu'elle pouvait trouver, dans l'espoir d'y détecter les rayons de Becquerel. En elle finit par en trouver dans le thorium. C'est elle qui a donné le nom de « radioactivité » au phénomène. Avec Pierre Curie et Gustave Bémont, elle commença à s'intéresser à la pechblende, un minerai uranifère qui s'était avéré plus radioactif que l'uranium qu'il contenait, ce qui indiquait l'existence d'éléments radioactifs supplémentaires. L'un de ces éléments était chimiquement apparenté au bismuth, mais fortement radioactif, et en ils publièrent un article dans lequel ils concluaient qu'il s'agissait d'un nouvel élément, qu'ils nommèrent « polonium ». Un autre élément contenu dans la pechblende ressemblait chimiquement au baryum. En , ils annoncèrent la découverte de ce second élément, jusqu'alors inconnu, qu'ils appelèrent « radium ». Convaincre la communauté scientifique était une autre affaire, car séparer le radium du baryum dans le minerai s'était avéré très difficile : il leur fallut trois ans pour produire un dixième de gramme de chlorure de radium, et ils n'ont jamais réussi à isoler le polonium.

En 1898, Ernest Rutherford avait noté que le thorium dégageait un gaz radioactif. En examinant le rayonnement de ce gaz, il classa les rayonnements de Becquerel en deux catégories, qu'il appela rayonnement α (alpha) et rayonnement β (bêta). Par la suite, Paul Villard découvrit un troisième type de rayonnement de Becquerel qu'il appela, poursuivant la logique de Rutherford, rayonnement γ (gamma). Marie Curie avait également noté que le radium produisait un gaz radioactif, mais l'identification chimique de ce gaz s'était avérée frustrante, et ce sont Rutherford et Frederick Soddy qui ont finalement déterminé qu'il était inerte, un peu comme l'argon. Plus tard, le gaz est devenu connu sous le nom de radon. Rutherford identifia finalement les rayons bêta comme étant des rayons cathodiques (des électrons) et émit l'hypothèse, qu'il démontra en 1909 avec l'aide de Thomas Royds, que les rayons alpha étaient des noyaux d'hélium. Observant la désintégration radioactive des éléments, Rutherford et Soddy avaient classé les produits radioactifs selon leurs taux caractéristiques de désintégration, introduisant le concept de demi-vie. En 1913, Soddy, sur la suggestion de Margaret Todd, proposa le terme « isotope » pour désigner les atomes qui étaient chimiquement et spectroscopiquement identiques mais qui avaient des demi-vies radioactives différentes. Rutherford proposa ensuite un modèle de l'atome (modèle de Rutherford) dans lequel un noyau très petit, dense, composé de protons et chargé positivement était entouré d'électrons en orbite et chargés négativement. Niels Bohr l'améliora en 1913 en le réconciliant avec le comportement quantique des électrons (modèle de Bohr).

Protactinium vignette|La chaîne de désintégration de l'actinium. Une désintégration alpha déplace l'atome de deux éléments vers le bas ; une désintégration bêta le déplace d'un élément vers le haut. En 1913, Soddy et Kasimir Fajans avaient observé indépendamment que la désintégration alpha provoquait un déplacement des atomes de deux positions vers le bas du tableau périodique des éléments, tandis que deux désintégration bêta le remontaient à sa position d'origine (loi de déplacement radioactif de Fajans et Soddy). Dans la réorganisation du tableau périodique qui en a résulté, le radium avait été placé dans le groupe II, l'actinium dans le groupe III, le thorium dans le groupe IV et l'uranium dans le groupe VI, ce qui laissait un vide entre le thorium et l'uranium. Soddy avait alors prédit que cet élément inconnu, qu'il appelait « ekatantalium » (d'après Dmitri Mendeleïev), devait être un émetteur alpha aux propriétés chimiques similaires à celles du tantale. Il fallut très peu de temps à Fajans et Oswald Helmuth Göhring pour le découvrir, en tant que produit de désintégration d'un émetteur bêta produit du thorium. D'après la loi de déplacement radioactif de Fajans et Soddy, il devait s'agir d'un isotope de l'élément manquant, qu'ils nommèrent « brévium » en référence à sa courte demi-vie. Cependant, il s'agissait d'un émetteur bêta et ne pouvait donc pas être l'isotope père de l'actinium. Il devait s'agir d'un autre isotope.

Deux scientifiques de l'Institut Kaiser Wilhelm de Berlin-Dahlem ont alors relevé le défi pour trouver l'isotope manquant. Otto Hahn était diplômé de l'université de Marburg en tant que chimiste organique, mais il avait été chercheur postdoctorant à l'University College de Londres sous Sir William Ramsay, et sous Ernest Rutherford à l'université McGill, où il avait étudié les isotopes radioactifs. En 1906, il retourna en Allemagne, où il devint assistant d'Emil Fischer à l'université de Berlin. À McGill, il s'était habitué à travailler en étroite collaboration avec un physicien. Il s'associa donc à Lise Meitner, qui avait obtenu son doctorat à l'université de Vienne en 1906, et avait ensuite déménagé à Berlin pour étudier la physique sous Max Planck à l'université Frédéric-Guillaume. Meitner avait trouvé Hahn, qui avait le même âge qu'elle, moins intimidant que ses collègues plus âgés et plus distingués. En 1913, Hahn et Meitner se sont installés à l'Institut Kaiser Wilhelm, récemment établi dans le domaine de la chimie. En 1920, ils seront à la tête de leurs propres laboratoires, avec leurs propres étudiants, programmes de recherche et équipements. Leurs nouveaux laboratoires offraient des opportunités, car les anciens avaient été tellement contaminés par des substances radioactives, qu'il était devenu difficile d'y étudier des matériaux faiblement radioactifs. C'est là qu'ils ont développé une nouvelle technique pour séparer les éléments du groupe du tantale de la pechblende, ce qui, ils espéraient, accélérerait l'isolement du nouvel isotope. gauche|vignette| Otto Hahn et Lise Meitner en 1912.