thumb|direita|upright=1.35|A reação nuclear teorizada por Meitner e Frisch seguida da reação nuclear em cadeia teorizada por Hahn e Strassmann

A fissão nuclear foi descoberta em dezembro de 1938 pelos químicos Otto Hahn e Fritz Strassmann e pelos físicos Lise Meitner e Otto Robert Frisch. A fissão é uma reação nuclear ou um processo de decaimento radioativo no qual o núcleo de um átomo se divide em dois ou mais núcleos menores e mais leves, frequentemente acompanhada de outras partículas. O processo de fissão geralmente produz raio gamas e libera uma quantidade de energia extremamente elevada, mesmo pelos padrões da decaimento radioativo. Os cientistas já conheciam a decaimento alfa e a decaimento beta, mas a fissão assumiu grande importância, pois a descoberta de que uma reação nuclear em cadeia era possível levou ao desenvolvimento da energia nuclear e de armas nucleares. Hahn foi agraciado com o Prêmio Nobel de Química de 1944 pela descoberta da fissão nuclear.

Hahn e Strassmann, no Instituto Kaiser Wilhelm de Química em Berlim, bombardearam urânio com nêutrons lentos e descobriram que bário havia sido produzido. Hahn sugeriu uma ruptura do núcleo, mas não tinha certeza sobre a base física dos resultados. Eles comunicaram suas descobertas por correio a Meitner na Suécia, que alguns meses antes havia fugido da Alemanha Nazista. Meitner e seu sobrinho Frisch teorizavam — e depois provaram — que o núcleo de urânio havia se dividido, publicando seus achados na Nature. Meitner calculou que a energia liberada em cada desintegração era de aproximadamente 200 MeV, e Frisch observou essa liberação. Por analogia com a divisão das células biológicas, ele denominou o processo de "fissão".

Contexto

Radioatividade Nos últimos anos do século XIX, os cientistas experimentavam frequentemente com o tubo de raios catódicos, que já havia se tornado um equipamento padrão de laboratório. Uma prática comum era direcionar os raios catódicos para várias substâncias e observar os efeitos. Wilhelm Röntgen dispunha de uma tela revestida com platinocianeto de bário que fluorescia quando exposta aos raios catódicos. Em 8 de novembro de 1895, ele notou que, embora seu tubo de raios catódicos não estivesse apontado para a tela — que estava coberta por papelão preto — a tela ainda fluorescia. Rapidamente, convenceu-se de ter descoberto um novo tipo de raios, hoje chamados de raio X. No ano seguinte, Henri Becquerel experimentava com sais fluorescentes de urânio e questionava se eles também poderiam produzir raios X. Em 1º de março de 1896, descobriu que, de fato, os sais produziam raios, mas de um tipo diferente; mesmo quando o sal de urânio era mantido em uma gaveta escura, ele gerava uma imagem intensa em uma placa de raios X, indicando que os raios se originavam internamente, sem depender de uma fonte externa de energia.

thumb|esquerda|A tabela periódica

Ao contrário da descoberta de Röntgen, que despertou ampla curiosidade tanto de cientistas quanto do público em geral pela capacidade dos raios X de revelar os ossos do corpo humano, a descoberta de Becquerel teve pouco impacto na época, e o próprio Becquerel logo passou a investigar outros temas. Marie Curie testou amostras de tantos elementos e minerais quanto pôde encontrar em busca de sinais dos raios de Becquerel, e em abril de 1898 também os detectou no tório. Ela denominou o fenômeno de "radioatividade". Juntamente com Pierre Curie e Gustave Bémont, ela passou a investigar a pechblenda, um minério contendo urânio que se mostrou mais radioativo do que o próprio urânio. Isso indicava a existência de outros elementos radioativos. Um deles era quimicamente semelhante ao bismuto, mas fortemente radioativo, e em julho de 1898 publicaram um artigo no qual concluíam tratar-se de um novo elemento, que nomearam de "polônio". O outro elemento, quimicamente similar ao bário, foi anunciado em um artigo de dezembro de 1898, recebendo o nome de "rádio". Convencer a comunidade científica foi outra questão: separar o rádio do bário presente no minério revelou-se muito difícil — levou três anos para que conseguissem produzir um décimo de grama de cloreto de rádio, e o polônio nunca foi isolado.

Protactínio thumb|direita|upright|A cadeia de decaimento do actínio. A decaimento alfa desloca dois elementos para baixo; a decaimento beta desloca um elemento para cima.

Em 1913, Soddy e Kasimir Fajans observaram independentemente que a decaimento alfa fazia os átomos deslocarem-se duas posições para baixo na tabela periódica, enquanto a perda de duas partículas beta os restaurava à posição original. Na reorganização resultante da tabela periódica, o rádio foi colocado no grupo II, o actínio no grupo III, o tório no grupo IV e o urânio no grupo VI, deixando uma lacuna entre o tório e o urânio. Soddy previu que esse elemento desconhecido — que, segundo Dmitri Mendeleev, ele denominou "ekatantalium" — seria um emissor alfa com propriedades químicas semelhantes às do tantalio (atualmente conhecido como tântalo). Não demorou muito para que Fajans e Oswald Helmuth Göhring descobrissem esse elemento como produto de decaimento de um composto beta-emissor do tório. Com base na lei de deslocamento radioativo de Fajans e Soddy, concluiu-se que se tratava de um isótopo do elemento ausente, o qual foi nomeado "brevium" devido à sua curta meia-vida. Contudo, por ser um emissor beta, não poderia ser o isótopo-mãe do actínio — tendo que tratar-se de outro isótopo.

Dois cientistas do Instituto Kaiser Wilhelm (KWI) aceitaram o desafio de encontrar o isótopo ausente. Otto Hahn havia se formado na Universidade de Marburg como químico orgânico, mas atuara como pós-doutor na University College London sob Sir William Ramsay e com Rutherford na Universidade McGill, onde estudara isótopos radioativos. Em 1906, retornou à Alemanha, tornando-se assistente de Emil Fischer na Universidade de Berlim. Em McGill, habituou-se a trabalhar de perto com um físico, o que o levou a se associar a Lise Meitner, que havia obtido seu doutorado na Universidade de Viena em 1906 e, em seguida, mudou-se para Berlim para estudar física sob Max Planck na Friedrich-Wilhelms-Universität. Meitner achou Hahn — que tinha a mesma idade que ela — menos intimidador do que colegas mais experientes e ilustres. Hahn e Meitner mudaram-se para o recém-criado Instituto Kaiser Wilhelm de Química, em 1913, e até 1920 já comandavam seus próprios laboratórios, com alunos, programas de pesquisa e equipamentos próprios. Os novos laboratórios ofereceram oportunidades inéditas, visto que os antigos estavam contaminados com substâncias radioativas, impossibilitando o estudo de materiais fracamente radioativos. Desenvolveram, assim, uma nova técnica para separar o grupo do tântalo da pitchblenda, com o objetivo de acelerar o isolamento do novo isótopo.

thumb|esquerda|upright=1.3|Otto Hahn e Lise Meitner em 1912

O trabalho foi interrompido com o início da Primeira Guerra Mundial em 1914. Hahn foi convocado para o Exército Alemão, enquanto Meitner tornou-se radiografista voluntária em hospitais do Exército Austro-Húngaro. Meitner retornou ao Instituto Kaiser Wilhelm em outubro de 1916, enquanto Hahn integrou, em dezembro de 1916, a nova unidade de comando de gás na Sede Imperial em Berlim, após ter circulado entre as frentes ocidental e oriental, Berlim e Leverkusen, entre o verão de 1914 e o final de 1916.

A maior parte dos estudantes, assistentes de laboratório e técnicos foi convocada, de modo que Hahn, estacionado em Berlim entre janeiro e setembro de 1917, e Meitner tiveram que realizar todas as tarefas por conta própria. Em dezembro de 1917, Meitner conseguiu isolar a substância e, após trabalhos complementares, provaram que se tratava do isótopo ausente. Em março de 1918, Meitner submeteu os achados dela e de Hahn para publicação na revista científica Physikalischen Zeitschrift, sob o título .

Embora Fajans e Göhring tenham sido os primeiros a descobrir o elemento, o costume determinava que um elemento fosse representado pelo isótopo de vida mais longa e mais abundante — e o brevium não parecia adequado. Fajans concordou em permitir que Meitner e Hahn nomeassem o elemento protactínio e lhe atribuíssem o símbolo químico Pa. Em junho de 1918, Soddy e John Cranston anunciaram que haviam extraído uma amostra do isótopo, mas, diferentemente de Hahn e Meitner, não conseguiram descrever suas características. Reconhecendo a prioridade de Hahn e Meitner, eles aceitaram o nome. A conexão com o urânio permaneceu um mistério, pois nenhum dos Isótopos de urânio conhecidos decaía em protactínio — situação que só seria esclarecida com a descoberta do urânio-235 em 1929.

Por essa descoberta, Hahn e Meitner foram repetidamente indicados ao Prêmio Nobel de Química na década de 1920 por vários cientistas — entre eles Max Planck, Heinrich Goldschmidt e o próprio Fajans. Em 1949, a União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC) nomeou definitivamente o novo elemento como protactínio, confirmando Hahn e Meitner como seus descobridores.

Transmutação thumb|direita|upright=1.3|Irène Curie e Frédéric Joliot em seu laboratório em Paris, 1935

Patrick Blackett conseguiu realizar a transmutação nuclear do nitrogênio em oxigênio em 1925, utilizando partículas alfa direcionadas ao nitrogênio. Na notação moderna para núcleos atômicos, a reação foi

+ → + p

Esta foi a primeira observação de uma reação nuclear, isto é, uma reação em que partículas oriundas de um decaimento são utilizadas para transformar outro núcleo atômico. Uma reação nuclear totalmente artificial e transmutação nuclear foi alcançada em abril de 1932 por Ernest Walton e John Cockcroft, que utilizaram prótons acelerados artificialmente contra lítio para fragmentar esse núcleo em duas partículas alfa. A façanha ficou popularmente conhecida como "dividir o átomo", embora não se tratasse de fissão nuclear; pois não resultou da iniciação de um processo interno de decaimento radioativo.

Poucas semanas antes da façanha de Cockcroft e Walton, outro cientista do Laboratório Cavendish, James Chadwick, descobriu o nêutron, utilizando um engenhoso dispositivo feito com cera de abelha, por meio da reação do berílio com partículas alfa:Chadwick announced his initial findings in: Subsequentemente, ele detalhou seus achados: ; e

+ → + n

Irène Curie e Frédéric Joliot irradiaram uma folha de alumínio com partículas alfa e constataram que isso produzia um isótopo de fósforo radioativo de curta duração, com meia-vida de cerca de três minutos:

+ → + n

que decai para um isótopo estável de silício:

→ + e+

Eles notaram que a radioatividade persistia mesmo após cessarem as emissões de nêutrons. Além de terem descoberto uma nova forma de decaimento radioativo — a emissão de pósitron —, transmutaram um elemento em um isótopo radioativo até então desconhecido de outro, induzindo radioatividade onde antes não existia nenhuma. A radioquímica deixou de estar confinada a certos elementos pesados e passou a se estender a toda a tabela periódica.