Descubrimiento de la fisión nuclear

En los últimos años del siglo XIX, los científicos experimentaban frecuentemente con el tubo de rayos catódicos , que para entonces ya se había convertido en un instrumento de laboratorio habitual. Era común dirigir los rayos catódicos hacia diversas sustancias y observar el resultado. Wilhelm Röntgen tenía una pantalla recubierta de platinocianuro de bario que fluorescía al exponerse a los rayos catódicos. El 8 de noviembre de 1895, observó que, aunque el tubo de rayos catódicos no apuntaba directamente a la pantalla, que estaba cubierta con cartón negro, esta seguía fluoresciendo. Pronto se convenció de haber descubierto un nuevo tipo de rayos, que hoy se conocen como rayos X. Al año siguiente, Henri Becquerel experimentaba con sales de uranio fluorescentes y se preguntaba si estas también podrían producir rayos X. ^{[ 3 ]} El 1 de marzo de 1896 descubrió que, efectivamente, producían rayos, pero de un tipo diferente, e incluso cuando la sal de uranio se guardaba en un cajón oscuro, seguía produciendo una imagen intensa en una placa de rayos X, lo que indicaba que los rayos provenían del interior y no requerían una fuente de energía externa. ^{[ 4 ]}

A diferencia del descubrimiento de Röntgen, que fue objeto de gran curiosidad tanto de científicos como de profanos por la capacidad de los rayos X para hacer visibles los huesos dentro del cuerpo humano, el descubrimiento de Becquerel tuvo poco impacto en su momento, y el propio Becquerel pronto pasó a otras investigaciones. ^{[ 5 ]} Marie Curie analizó muestras de tantos elementos y minerales como pudo encontrar en busca de signos de rayos Becquerel , y en abril de 1898 también los encontró en el torio . Ella le dio al fenómeno el nombre de "radiactividad". ^{[ 6 ]} Junto con Pierre Curie y Gustave Bémont, comenzó a investigar la pechblenda , un mineral que contiene uranio, que resultó ser más radiactivo que el uranio que contenía. Esto indicó la existencia de elementos radiactivos adicionales. Uno era químicamente similar al bismuto , pero fuertemente radiactivo, y en julio de 1898 publicaron un artículo en el que concluyeron que era un nuevo elemento, al que llamaron " polonio ". El otro elemento era químicamente similar al bario, y en un artículo de diciembre de 1898 anunciaron el descubrimiento de un segundo elemento hasta entonces desconocido, al que llamaron " radio ". Convencer a la comunidad científica fue otra historia. Separar el radio del bario en el mineral resultó muy difícil. Les llevó tres años producir una décima de gramo de cloruro de radio , y nunca lograron aislar el polonio. ^{[ 7 ]}

En 1898, Ernest Rutherford observó que el torio emitía un gas radiactivo. Al examinar la radiación, clasificó la radiación de Becquerel en dos tipos, a los que llamó radiación α (alfa) y β (beta). ^{[ 8 ]} Posteriormente, Paul Villard descubrió un tercer tipo de radiación de Becquerel que, siguiendo el esquema de Rutherford, se denominó " rayos gamma ", y Curie observó que el radio también producía un gas radiactivo. La identificación química del gas resultó frustrante; Rutherford y Frederick Soddy descubrieron que era inerte, muy parecido al argón . Más tarde se le conoció como radón . Rutherford identificó los rayos beta como rayos catódicos (electrones) e hipotetizó —y en 1909, junto con Thomas Royds, demostró— que las partículas alfa eran núcleos de helio . ^{[ 9 ] [ 10 ]} Al observar la desintegración radiactiva de los elementos, Rutherford y Soddy clasificaron los productos radiactivos según sus tasas características de desintegración, introduciendo el concepto de vida media . ^{[ 9 ] [ 11 ]} En 1903, Soddy y Margaret Todd aplicaron el término " isótopo " a los átomos que eran química y espectroscópicamente idénticos pero tenían vidas medias radiactivas diferentes. ^{[ 12 ] [ 13 ]} Rutherford propuso un modelo del átomo en el que un núcleo de protones muy pequeño, denso y con carga positiva estaba rodeado por electrones orbitando con carga negativa (el modelo de Rutherford ). ^{[ 14 ]} Niels Bohr mejoró esto en 1913 al conciliarlo con el comportamiento cuántico de los electrones (el modelo de Bohr ). ^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]}

Soddy y Kasimir Fajans observaron independientemente en 1913 que la desintegración alfa provocaba que los átomos se desplazaran dos lugares hacia abajo en la tabla periódica , mientras que la pérdida de dos partículas beta los restauraba a su posición original. En la reorganización resultante de la tabla periódica, el radio se colocó en el grupo II, el actinio en el grupo III, el torio en el grupo IV y el uranio en el grupo VI. Esto dejó un hueco entre el torio y el uranio. Soddy predijo que este elemento desconocido, al que se refirió (siguiendo a Dmitri Mendeleev ) como "ekatantalio", sería un emisor alfa con propiedades químicas similares al tantalio (ahora conocido como tantalio ). ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]} No pasó mucho tiempo antes de que Fajans y Oswald Helmuth Göhring lo descubrieran como un producto de desintegración de un producto emisor beta del torio. Según la ley de desplazamiento radiactivo de Fajans y Soddy , se trataba de un isótopo del elemento faltante, al que denominaron "brevium" por su corta vida media. Sin embargo, era un emisor beta y, por lo tanto, no podía ser el isótopo madre del actinio. Tenía que ser otro isótopo. ^{[ 18 ]}

Dos científicos del Instituto Kaiser Wilhelm (KWI) en Berlín-Dahlem asumieron el reto de encontrar el isótopo faltante. Otto Hahn se había graduado en química orgánica por la Universidad de Marburgo , pero había sido investigador postdoctoral en el University College de Londres bajo la dirección de Sir William Ramsay , y con Rutherford en la Universidad McGill , donde había estudiado isótopos radiactivos. En 1906, regresó a Alemania, donde se convirtió en asistente de Emil Fischer en la Universidad de Berlín . En McGill se había acostumbrado a trabajar estrechamente con un físico, por lo que se asoció con Lise Meitner , quien se había doctorado por la Universidad de Viena en 1906 y luego se había trasladado a Berlín para estudiar física con Max Planck en la Universidad Friedrich-Wilhelms . Meitner encontró a Hahn, que tenía aproximadamente la misma edad que ella, menos intimidante que sus colegas mayores y más distinguidos. ^{[ 21 ]} Hahn y Meitner se trasladaron al recién creado Instituto Kaiser Wilhelm de Química en 1913, y para 1920 ya dirigían sus propios laboratorios allí, con sus propios estudiantes, programas de investigación y equipos. ^{[ 21 ]} Los nuevos laboratorios ofrecían nuevas oportunidades, ya que los antiguos se habían contaminado demasiado con sustancias radiactivas para investigar sustancias débilmente radiactivas. Desarrollaron una nueva técnica para separar el grupo del tantalio de la pechblenda, con la esperanza de acelerar el aislamiento del nuevo isótopo. ^{[ 18 ]}

El trabajo se vio interrumpido por el estallido de la Primera Guerra Mundial en 1914. Hahn fue llamado a filas por el ejército alemán y Meitner se convirtió en radióloga voluntaria en hospitales del ejército austríaco. ^{[ 22 ]} Regresó al Instituto Kaiser Wilhelm en octubre de 1916. Hahn se unió a la nueva unidad de mando de gas en el Cuartel General Imperial en Berlín en diciembre de 1916, tras haber viajado entre los frentes occidental y oriental, Berlín y Leverkusen entre el verano de 1914 y finales de 1916. ^{[ 23 ]}

La mayoría de los estudiantes, ayudantes de laboratorio y técnicos habían sido llamados a filas, por lo que Hahn, que estuvo destinada en Berlín entre enero y septiembre de 1917, ^{[ 24 ]} y Meitner tuvieron que hacerlo todo ellos mismos. En diciembre de 1917, logró aislar la sustancia y, tras un trabajo adicional, pudieron demostrar que se trataba, en efecto, del isótopo que faltaba. Meitner presentó sus hallazgos y los de Hahn para su publicación en marzo de 1918 en la revista científica Physikalischen Zeitschrift con el título Die Muttersubstanz des Actiniums; ein neues radioaktives Element von langer Lebensdauer . ^{[ 18 ] [ 25 ]}

Aunque Fajans y Göhring fueron los primeros en descubrir el elemento, la costumbre exigía que un elemento se representara por su isótopo más abundante y de mayor duración, y el brevium no parecía apropiado. Fajans estuvo de acuerdo con Meitner y Hahn en nombrar el elemento protactinio y asignarle el símbolo químico Pa. En junio de 1918, Soddy y John Cranston anunciaron que habían extraído una muestra del isótopo, pero, a diferencia de Hahn y Meitner, no pudieron describir sus características. Reconocieron la prioridad de Hahn y Meitner y aceptaron el nombre. La conexión con el uranio siguió siendo un misterio, ya que ninguno de los isótopos conocidos del uranio se desintegraba en protactinio. Permaneció sin resolver hasta que se descubrió el uranio-235 en 1929. ^{[ 18 ] [ 26 ]}

Por su descubrimiento, Hahn y Meitner fueron nominados repetidamente al Premio Nobel de Química en la década de 1920 por varios científicos, entre ellos Max Planck, Heinrich Goldschmidt y el propio Fajans. ^{[ 27 ] [ 28 ]} En 1949, la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada ( IUPAC ) nombró definitivamente al nuevo elemento protactinio y confirmó a Hahn y Meitner como sus descubridores. ^{[ 29 ]}

Fermi ganó el Premio Nobel de Física de 1938 por sus "demostraciones de la existencia de nuevos elementos radiactivos producidos por irradiación de neutrones, y por su descubrimiento relacionado de reacciones nucleares provocadas por neutrones lentos". ^{[ 2 ]} Sin embargo, no todos estaban convencidos por el análisis de Fermi de sus resultados. Ida Noddack sugirió en septiembre de 1934 que, en lugar de crear un nuevo elemento más pesado, el 93, se debería:

Se podría suponer igualmente que, al utilizar neutrones para producir desintegraciones nucleares, tienen lugar reacciones nucleares novedosas que no se habían observado previamente con el bombardeo de núcleos atómicos mediante protones o partículas alfa. Anteriormente se había constatado que las transmutaciones de núcleos solo se producían con la emisión de electrones, protones o núcleos de helio, de modo que los elementos pesados ​​solo modificaban ligeramente su masa para producir elementos vecinos. Al bombardear núcleos pesados ​​con neutrones, es concebible que el núcleo se fragmente en varios trozos grandes, que serían isótopos de elementos conocidos, pero no vecinos del elemento irradiado. ^{[ 58 ]}

El artículo de Noddack fue leído por el equipo de Fermi en Roma, Curie y Joliot en París, y Meitner y Hahn en Berlín. ^{[ 45 ]} Sin embargo, la objeción citada aparece bastante más adelante y es solo una de las varias lagunas que ella señaló en la afirmación de Fermi. ^{[ 59 ]} El modelo de gota líquida de Bohr aún no se había formulado, por lo que no había una forma teórica de calcular si era físicamente posible que los átomos de uranio se rompieran en grandes pedazos. ^{[ 60 ]} Noddack y su esposo, Walter Noddack , eran químicos de renombre que habían sido nominados al Premio Nobel de Química por el descubrimiento del renio, aunque en ese momento también estaban envueltos en una controversia por el descubrimiento del elemento 43, al que llamaron "masurio". El descubrimiento del tecnecio por Emilio Segrè y Carlo Perrier puso fin a su afirmación, pero no ocurrió hasta 1937. Es improbable que Meitner o Curie tuvieran prejuicios contra Noddack por su sexo, ^{[ 61 ]} pero Meitner no dudó en decirle a Hahn: «Hahn , Hähnchen, von Physik verstehst Du Nichts » («Hahn, querida, de física no entiendes nada»). ^{[ 62 ]} Esta misma actitud se extendió a Noddack, quien no propuso un modelo nuclear alternativo ni realizó experimentos para respaldar su afirmación. Aunque Noddack era una química analítica de renombre, carecía de los conocimientos de física necesarios para comprender la magnitud de lo que proponía. ^{[ 59 ]}

Noddack no fue el único crítico de la afirmación de Fermi. Aristid von Grosse sugirió que lo que Fermi había encontrado era un isótopo de protactinio. ^{[ 65 ] [ 66 ]} Meitner estaba ansiosa por investigar los resultados de Fermi, pero reconoció que se necesitaba un químico altamente capacitado, y quería al mejor que conocía: Hahn, aunque no habían colaborado durante muchos años. Inicialmente, Hahn no estaba interesado, pero la mención del protactinio por parte de von Grosse lo hizo cambiar de opinión. ^{[ 67 ]} "La única pregunta", escribió Hahn más tarde, "parecía ser si Fermi había encontrado isótopos de elementos transuránicos o isótopos del siguiente elemento inferior, el protactinio. En ese momento, Lise Meitner y yo decidimos repetir los experimentos de Fermi para averiguar si el isótopo de 13 minutos era un isótopo de protactinio o no. Fue una decisión lógica, ya que habíamos sido los descubridores del protactinio". ^{[ 68 ]}

Hahn y Meitner se unieron a Fritz Strassmann . Strassmann había recibido su doctorado en química analítica de la Universidad Técnica de Hannover en 1929, ^{[ 69 ]} y había llegado al Instituto Kaiser Wilhelm de Química para estudiar con Hahn, creyendo que esto mejoraría sus perspectivas laborales. Disfrutó tanto del trabajo y de la gente que se quedó después de que expirara su beca en 1932. Después de que el Partido Nazi llegara al poder en Alemania en 1933, rechazó una lucrativa oferta de empleo porque requería formación política y afiliación al Partido Nazi, y renunció a la Sociedad de Químicos Alemanes cuando esta se integró en el Frente Alemán del Trabajo Nazi . Como resultado, no pudo trabajar en la industria química ni obtener su habilitación , que era necesaria para convertirse en investigador independiente en Alemania. Meitner persuadió a Hahn para que contratara a Strassmann utilizando dinero del fondo para circunstancias especiales del director. En 1935, Strassmann se convirtió en asistente con medio sueldo. Pronto se le acreditaría como colaborador en los artículos que produjeron. ^{[ 70 ]}

La Ley de 1933 para la Restauración de la Función Pública Profesional excluyó a los judíos de la función pública, lo que incluía al ámbito académico. Meitner nunca intentó ocultar su ascendencia judía, pero inicialmente quedó exenta de su impacto por varios motivos: había trabajado antes de 1914, había servido en el ejército durante la Primera Guerra Mundial, era ciudadana austriaca y no alemana, y el Instituto Kaiser Wilhelm era una asociación entre el gobierno y la industria. ^{[ 71 ]} Sin embargo, fue despedida de su puesto de profesora adjunta en la Universidad de Berlín con el argumento de que su servicio durante la Primera Guerra Mundial no fue en el frente, y no había completado su habilitación hasta 1922. ^{[ 72 ]} Carl Bosch , director de IG Farben , uno de los principales patrocinadores del Instituto Kaiser Wilhelm de Química, le aseguró a Meitner que su puesto allí estaba a salvo, y ella aceptó quedarse. ^{[ 71 ]} Meitner, Hahn y Strassmann se acercaron personalmente a medida que su política antinazi los alejaba cada vez más del resto de la organización, pero esto les dio más tiempo para la investigación, ya que la administración se delegó a los asistentes de Hahn y Meitner. ^{[ 70 ]}

El grupo de Berlín comenzó irradiando sal de uranio con neutrones de una fuente de radón-berilio similar a la que había utilizado Fermi. Se mezcló berilio en polvo con radón en una cápsula sellada. Esto proporcionó una fuente de neutrones mucho más potente que las mezclas de polonio-berilio. ^{[ 76 ]} Disolvieron la sal de uranio y añadieron perrenato de potasio , cloruro de platino e hidróxido de sodio . Lo que quedó se acidificó con sulfuro de hidrógeno , lo que dio como resultado la precipitación de sulfuro de platino y sulfuro de renio. Fermi había observado cuatro isótopos radiactivos, con vidas medias de 13 y 90 minutos para el isótopo de mayor vida, y estos se detectaron en el precipitado. ^{[ 77 ]}

El grupo de Berlín analizó entonces la presencia de protactinio añadiendo protactinio-234 a la solución. Al precipitarlo, se observó que se separaba de los isótopos con vidas medias de 13 y 90 minutos, lo que demostró que von Grosse estaba equivocado y que no se trataba de isótopos de protactinio. Además, las reacciones químicas implicadas descartaron todos los elementos a partir del mercurio en la tabla periódica. ^{[ 77 ]} Lograron precipitar la actividad de 90 minutos con sulfuro de osmio y la de 13 minutos con sulfuro de renio, lo que descartó que fueran isótopos del mismo elemento. Todo esto proporcionó una sólida evidencia de que, en efecto, se trataba de elementos transuránicos, con propiedades químicas similares a las del osmio y el renio. ^{[ 76 ] [ 78 ]}

Fermi también había informado que los neutrones rápidos y lentos producían actividades diferentes. Esto indicaba que se estaba produciendo más de una reacción. Cuando el grupo de Berlín no pudo replicar los hallazgos del grupo de Roma, comenzó su propia investigación sobre los efectos de los neutrones rápidos y lentos. Para minimizar la contaminación radiactiva en caso de accidente, las diferentes fases se llevaron a cabo en distintas salas, todas en la sección de Meitner, en la planta baja del Instituto Kaiser Wilhelm. La irradiación de neutrones se realizó en un laboratorio, la separación química en otro y las mediciones en un tercero. El equipo que utilizaron era sencillo y, en su mayoría, de fabricación artesanal. ^{[ 79 ]}

En marzo de 1936, habían identificado diez vidas medias diferentes, con distintos grados de certeza. Para explicarlas, Meitner tuvo que plantear la hipótesis de una nueva clase de reacción (n, 2n) y la desintegración alfa del uranio, ninguna de las cuales se había descrito antes y para la cual no existía evidencia física. Así, mientras Hahn y Strassmann perfeccionaban sus procedimientos químicos, Meitner ideó nuevos experimentos para esclarecer los procesos de reacción. En mayo de 1937, publicaron informes paralelos: uno en Zeitschrift für Physik, con Meitner como autor principal, y otro en Chemische Berichte, con Hahn como autor principal. ^{[ 79 ] [ 80 ] [ 81 ]} Hahn concluyó el suyo afirmando enfáticamente: Vor allem steht ihre chemische Verschiedenheit von allen bisher bekannten Elementen außerhalb jeder Diskussion ("Sobre todo, su distinción química de todos los elementos previamente conocidos no necesita más discusión". ^{[ 81 ]} )

Meitner estaba cada vez más inseguro. Ahora habían construido tres reacciones (n, γ):

1. ²³⁸ ₉₂ U+ n → ²³⁹ ₉₂ U(10 segundos) → ²³⁹ ₉₃ ekaRe(2,2 minutos) → ²³⁹ ₉₄ ekaOs(59 minutos) → ²³⁹ ₉₅ ekaIr(66 horas) → ²³⁹ ₉₆ ekaPt(2,5 horas) → ²³⁹ ₉₇ ekAu(?)
2. ²³⁸ ₉₂ U+ n → ²³⁹ ₉₂ U(40 segundos) → ²³⁹ ₉₃ ekaRe(16 minutos) → ²³⁹ ₉₄ ekaOs(5,7 horas) → ²³⁹ ₉₅ ekaIr(?)
3. ²³⁸ ₉₂ U+ n → ²³⁹ ₉₂ U(23 minutos) → ²³⁹ ₉₃ ekaRe

Meitner estaba segura de que debían ser reacciones (n, γ), ya que los neutrones lentos carecían de la energía suficiente para desprender protones o partículas alfa. Consideró la posibilidad de que las reacciones provinieran de diferentes isótopos de uranio; se conocían tres: uranio-238, uranio-235 y uranio-234. Sin embargo, al calcular la sección transversal de neutrones, esta resultó ser demasiado grande para ser otra cosa que no fuera el isótopo más abundante, el uranio-238. Concluyó que debía tratarse de un caso de isomería nuclear , descubierta en el protactinio por Hahn en 1922. La isomería nuclear había recibido una explicación física de von Weizsäcker, quien había sido asistente de Meitner en 1936, pero que posteriormente ocupó un puesto en el Instituto Kaiser Wilhelm de Física. Los diferentes isómeros nucleares del protactinio tenían diferentes vidas medias, y esto también podría ser el caso del uranio, pero de ser así, de alguna manera se heredaría a través de los productos hija y nieta, lo que parecía llevar el argumento al límite. Luego estaba la tercera reacción, una (n, γ), que ocurría solo con neutrones lentos. ^{[ 82 ]} Por lo tanto, Meitner concluyó su informe con una nota muy diferente a la de Hahn, informando que: "El proceso debe ser la captura de neutrones por el uranio-238, lo que conduce a tres núcleos isómeros de uranio-239. Este resultado es muy difícil de conciliar con los conceptos actuales del núcleo". ^{[ 80 ] [ 83 ]}

Después de esto, el grupo de Berlín pasó a trabajar con torio, como dijo Strassmann, "para recuperarse del horror del trabajo con uranio". ^{[ 84 ]} Sin embargo, trabajar con torio no fue más fácil que trabajar con uranio. Para empezar, tenía un producto de desintegración, el radiotorio ( ²²⁸ ₉₀ Th ) que superaba la actividad inducida por neutrones más débil. Pero Hahn y Meitner tenían una muestra de la que habían extraído regularmente su isótopo madre, el mesotorio ( ²²⁸ ₈₈ Ra ), durante un período de varios años, permitiendo que el radiotorio se desintegrara. Aun así, seguía siendo más difícil trabajar con él porque sus productos de desintegración inducidos por la irradiación de neutrones eran isótopos de los mismos elementos producidos por la propia desintegración radiactiva del torio. Lo que encontraron fueron tres series de desintegración diferentes, todas emisoras alfa, una forma de desintegración que no se encuentra en ningún otro elemento pesado, y para la cual Meitner tuvo que postular una vez más la existencia de múltiples isómeros. Encontraron un resultado interesante: bajo bombardeo con neutrones rápidos de 2,5 MeV , estas series de desintegración (n, α) ocurrieron simultáneamente; para neutrones lentos, se favoreció una reacción (n, γ) que formó ²³³ ₉₀ Th . ^{[ 85 ]}

En París, Irene Curie y Pavel Savitch también se propusieron replicar los hallazgos de Fermi. En colaboración con Hans von Halban y Peter Preiswerk, irradiaron torio y produjeron el isótopo con una vida media de 22 minutos que Fermi había observado. En total, el grupo de Curie detectó ocho vidas medias diferentes en su torio irradiado. Curie y Savitch detectaron una sustancia radiactiva con una vida media de 3,5 horas. ^{[ 45 ] [ 39 ] [ 86 ]} El grupo de París propuso que podría ser un isótopo de torio. Meitner le pidió a Strassmann, quien ahora realizaba la mayor parte del trabajo químico, que lo comprobara. No detectó ningún rastro de torio. Meitner le escribió a Curie con sus resultados y sugirió una retractación discreta. ^{[ 87 ]} Sin embargo, Curie persistió. Investigaron la química y descubrieron que la actividad de 3,5 horas provenía de algo que parecía ser químicamente similar al lantano (lo cual, de hecho, era cierto), el cual intentaron aislar sin éxito mediante un proceso de cristalización fraccionada . (Es posible que su precipitado estuviera contaminado con itrio , que es químicamente similar). Utilizando contadores Geiger y omitiendo la precipitación química, Curie y Savitch detectaron la vida media de 3,5 horas en uranio irradiado. ^{[ 88 ]}

Con el Anschluss , la reunificación de Alemania con Austria el 12 de marzo de 1938, Meitner perdió su ciudadanía austriaca. ^{[ 89 ]} James Franck se ofreció a patrocinar su inmigración a los Estados Unidos, y Bohr le ofreció un lugar temporal en su instituto, pero cuando fue a la embajada danesa para obtener una visa, le dijeron que Dinamarca ya no reconocía su pasaporte austriaco como válido. ^{[ 90 ]} El 13 de julio de 1938, Meitner partió hacia los Países Bajos con el físico holandés Dirk Coster . Antes de partir, Otto Hahn le dio un anillo de diamantes que había heredado de su madre para que lo vendiera si fuera necesario. Llegó a salvo, pero solo con su ropa de verano. Meitner dijo más tarde que dejó Alemania para siempre con 10 marcos en su bolso. Con la ayuda de Coster y Adriaan Fokker , voló a Copenhague, donde fue recibida por Frisch, y se hospedó con Niels y Margrethe Bohr en su casa de vacaciones en Tisvilde . El 1 de agosto tomó el tren a Estocolmo , donde la recibió Eva von Bahr . ^{[ 91 ]}

El grupo de París publicó sus resultados en septiembre de 1938. ^{[ 88 ]} Hahn descartó el isótopo con una vida media de 3,5 horas como contaminación, pero tras examinar los detalles de los experimentos del grupo de París y las curvas de desintegración, Strassmann se preocupó. Decidió repetir el experimento, utilizando su método más eficiente para separar el radio. Esta vez, encontraron lo que creían que era radio, que Hahn sugirió que resultaba de dos desintegraciones alfa:

²³⁸ ₉₂ U+ n → α + ²³⁵ ₉₀ Th→ α + ²³¹ ₈₈ Ra

A Meitner le resultó muy difícil de creer. ^{[ 92 ] [ 93 ]}

En noviembre, Hahn viajó a Copenhague, donde se reunió con Bohr y Meitner. Le dijeron que estaban muy descontentos con los isómeros de radio propuestos. Siguiendo las instrucciones de Meitner, Hahn y Strassmann comenzaron a rehacer los experimentos, incluso mientras Fermi recogía su Premio Nobel en Estocolmo. ^{[ 94 ]} Con la ayuda de Clara Lieber e Irmgard Bohne, Hahn y Strassmann aislaron los tres isótopos de radio (verificados por sus vidas medias) y utilizaron la cristalización fraccionada para separarlos del portador de bario añadiendo cristales de bromuro de bario en cuatro pasos. Dado que el radio precipita preferentemente en una solución de bromuro de bario, en cada paso la fracción extraída contendría menos radio que la anterior. Sin embargo, no encontraron diferencias entre las fracciones. Por si su proceso fuera defectuoso, lo verificaron con isótopos conocidos de radio; el proceso fue correcto. Hahn y Strassmann encontraron un cuarto isótopo de radio. Sus vidas medias fueron formuladas de esta manera por Hahn y Strassmann:

${\displaystyle \mathrm {Ra\ I?} _{}^{}\ {\xrightarrow[{\mathrm {<} \ {\text{1 min.}}}]{{\text{ }}\mathrm {\beta } }}\mathrm {\ Ac\ I\ } {\xrightarrow[{\mathrm {<} \ {\text{30 min.}}}]{{\text{ }}\mathrm {\beta } }}\mathrm {\ Th?} }$

${\displaystyle \mathrm {Ra\ II} _{}^{}\ {\xrightarrow[{{\text{14}}\ \mathrm {\pm } \ {2min.}}]{{\text{ }}\mathrm {\beta } }}\mathrm {\ Ac\ II\ } {\xrightarrow[{\mathrm {\sim } \ {\text{2,5 h.}}}]{{\text{ }}\mathrm {\beta } }}\mathrm {\ Th?} }$

${\displaystyle \mathrm {Ra\ III} _{}^{}\ {\xrightarrow[{{\text{86}}\ \mathrm {\pm } \ {6min.}}]{{\text{ }}\mathrm {\beta } }}\mathrm {\ Ac\ III\ } {\xrightarrow[{\mathrm {\sim } \ {\text{pareja de días?}}}]{{\text{ }}\mathrm {\beta } }}\mathrm {\ Th?} }$

${\displaystyle \mathrm {Ra\ IV} _{}^{}\ {\xrightarrow[{\text{250-300 hrs.}}]{{\text{ }}\mathrm {\beta } }}\mathrm {\ Ac\ IV\ } {\xrightarrow[{\text{40 hrs.}}]{{\text{ }}\mathrm {\beta } }}\mathrm {\ ¿E?} }$

El 19 de diciembre, Hahn escribió a Meitner, informándole que los isótopos de radio se comportaban químicamente como el bario. Ansiosos por terminar antes de las vacaciones de Navidad, Hahn y Strassmann presentaron sus hallazgos a Naturwissenschaften el 22 de diciembre sin esperar la respuesta de Meitner. ^{[ 95 ]} Hahn comprendió que se había producido una «explosión» de los núcleos atómicos, ^{[ 96 ] [ 97 ]} pero no estaba seguro de esa interpretación. Hahn concluyó el artículo en «Naturwissenschaften» con: «Como químicos... deberíamos sustituir los símbolos Ba, La, Ce por Ra, Ac, Th. Como "químicos nucleares" bastante cercanos a la física, todavía no podemos dar este paso que contradice toda la experiencia previa en física». ^{[ 98 ]}

Frisch solía celebrar la Navidad con Meitner en Berlín, pero en 1938 aceptó una invitación de Eva von Bahr para pasarla con su familia en Kungälv , y Meitner le pidió a Frisch que se uniera a ella allí. Meitner recibió la carta de Hahn que describía su prueba química de que parte del producto del bombardeo de uranio con neutrones era bario. El bario tenía una masa atómica un 40 % menor que la del uranio, y ningún método conocido hasta entonces de desintegración radiactiva podía explicar una diferencia tan grande en la masa del núcleo. ^{[ 99 ] [ 100 ]}

No obstante, ella le había escrito inmediatamente a Hahn diciendo: «En este momento, la suposición de una ruptura tan completa me parece muy difícil, pero en física nuclear hemos experimentado tantas sorpresas que no se puede afirmar categóricamente: "Es imposible"». ^{[ 101 ]} Meitner opinaba que Hahn era un químico demasiado meticuloso como para cometer un error elemental, pero le resultaba difícil explicar los resultados. Todas las reacciones nucleares documentadas implicaban la separación de protones o partículas alfa del núcleo. Romperlo parecía mucho más difícil. Sin embargo, el modelo de gota líquida que Gamow había postulado sugería la posibilidad de que un núcleo atómico pudiera alargarse y superar la tensión superficial que lo mantenía unido. ^{[ 102 ]}

Según Frisch:

En ese momento, ambos nos sentamos en el tronco de un árbol (toda aquella conversación había tenido lugar mientras caminábamos por el bosque nevado, yo con mis esquís puestos y Lise Meitner demostrando que podía caminar igual de rápido sin ellos), y comenzamos a hacer cálculos en trozos de papel. Descubrimos que la carga de un núcleo de uranio era, en efecto, lo suficientemente grande como para superar casi por completo el efecto de la tensión superficial; por lo tanto, el núcleo de uranio podría asemejarse a una gota muy inestable y tambaleante, lista para dividirse ante la menor provocación, como el impacto de un solo neutrón.

Pero había otro problema. Tras la separación, las dos gotas se alejarían debido a su repulsión eléctrica mutua y adquirirían una alta velocidad y, por lo tanto, una energía muy grande, de unos 200  MeV en total; ¿de dónde podría provenir esa energía? Afortunadamente, Lise Meitner recordó la fórmula empírica para calcular las masas de los núcleos y dedujo que los dos núcleos formados por la división de un núcleo de uranio serían más ligeros que el núcleo de uranio original en aproximadamente una quinta parte de la masa de un protón. Ahora bien, según la fórmula de Einstein , siempre que desaparece masa se crea energía.${\displaystyle E=m\,c^{2}}$y una quinta parte de la masa de un protón equivalía a 200  MeV. Así que aquí estaba la fuente de esa energía; ¡todo encajaba! ^{[ 102 ]}

Meitner y Frisch habían interpretado correctamente los resultados de Hahn, indicando que el núcleo de uranio se había dividido aproximadamente por la mitad. Las dos primeras reacciones que el grupo de Berlín había observado fueron elementos ligeros creados por la ruptura de núcleos de uranio; la tercera, la de 23 minutos, fue una desintegración en el elemento real 93. ^{[ 103 ]} Al regresar a Copenhague, Frisch informó a Bohr, quien se golpeó la frente y exclamó: "¡Qué idiotas hemos sido!" ^{[ 104 ]} Bohr prometió no decir nada hasta que tuvieran un artículo listo para su publicación. Para acelerar el proceso, decidieron enviar una nota de una página a Nature . En ese momento, la única evidencia que tenían era el bario. Lógicamente, si se formó bario, el otro elemento debe ser kriptón , ^{[ 105 ]} aunque Hahn creyó erróneamente que las masas atómicas debían sumar 239 en lugar de que los números atómicos sumaran 92, y pensó que era masurio (tecnecio), y por lo tanto no lo comprobó: ^{[ 106 ]}

²³⁵ ₉₂ U+ n →₅₆ Ba+₃₆ Kr+ algunos n

A través de una serie de llamadas telefónicas de larga distancia, Meitner y Frisch idearon un experimento sencillo para respaldar su afirmación: medir el retroceso de los fragmentos de fisión, utilizando un contador Geiger con el umbral ajustado por encima del de las partículas alfa. Frisch realizó el experimento el 13 de enero de 1939 y encontró los pulsos causados ​​por la reacción tal como lo habían predicho. ^{[ 105 ]} Decidió que necesitaba un nombre para el proceso nuclear recién descubierto. Habló con William A. Arnold , un biólogo estadounidense que trabajaba con de Hevesy, y le preguntó cómo llamaban los biólogos al proceso por el cual las células vivas se dividían en dos. Arnold le dijo que los biólogos lo llamaban fisión . Frisch entonces aplicó ese nombre al proceso nuclear en su artículo. ^{[ 107 ]} Frisch envió por correo tanto la nota de autoría conjunta sobre la fisión como su artículo sobre el experimento de retroceso a Nature el 16 de enero de 1939; la primera apareció impresa el 11 de febrero y el segundo el 18 de febrero. ^{[ 108 ] [ 109 ]} En su segunda publicación sobre fisión nuclear en febrero de 1939, Hahn y Strassmann utilizaron por primera vez el término Uranspaltung (fisión del uranio) y predijeron la existencia y liberación de neutrones adicionales durante el proceso de fisión, abriendo la posibilidad de una reacción nuclear en cadena . ^{[ 110 ]} En una entrevista del 8 de marzo de 1959, Meitner dijo: «[El descubrimiento de la fisión nuclear] se logró con una química excepcionalmente buena por parte de Hahn y Strassmann, con una química fantásticamente buena que nadie más podía hacer en ese momento. Más tarde, los estadounidenses lo aprendieron. Pero en ese momento Hahn y Strassmann eran realmente los únicos que podían hacerlo porque eran químicos tan buenos. Realmente demostraron un proceso físico con la química, por así decirlo». ^{[ 111 ]}

Antes de partir hacia los Estados Unidos el 7 de enero de 1939 con su hijo Erik para asistir a la quinta Conferencia de Washington sobre Física Teórica , Bohr le prometió a Frisch que no mencionaría la fisión hasta que los artículos se publicaran, pero durante la travesía del Atlántico en el SS Drottningholm  , Bohr discutió el mecanismo de la fisión con Leon Rosenfeld y no le informó que la información era confidencial. A su llegada a la ciudad de Nueva York el 16 de enero, fueron recibidos por Fermi y su esposa Laura Capon , y por John Wheeler , quien había sido becario en el instituto de Bohr en 1934-1935. Casualmente, esa noche se celebraba una reunión del Club de Revistas de Física de la Universidad de Princeton , y cuando Wheeler le preguntó a Rosenfeld si tenía alguna noticia que comunicar, Rosenfeld se la dio. ^{[ 112 ]} Un Bohr avergonzado envió una nota a Nature defendiendo la reivindicación de Meitner y Frisch sobre la prioridad del descubrimiento. ^{[ 113 ]} Hahn estaba molesto porque, si bien Bohr mencionó su trabajo y el de Strassmann en la nota, solo citó a Meitner y Frisch. ^{[ 114 ]}

La noticia del nuevo descubrimiento se extendió rápidamente, y se consideró correctamente un efecto físico completamente novedoso con grandes posibilidades científicas y potencialmente prácticas. Isidor Isaac Rabi y Willis Lamb , dos físicos de la Universidad de Columbia que trabajaban en Princeton, se enteraron de la noticia y la llevaron a Columbia. Rabi dijo que se lo contó a Fermi; Fermi le dio el crédito a Lamb. Para Fermi, la noticia fue una profunda vergüenza, ya que los elementos transuránicos por cuyo descubrimiento había recibido en parte el Premio Nobel no eran elementos transuránicos en absoluto, sino productos de fisión . Añadió una nota al pie de página al respecto en su discurso de aceptación del Premio Nobel. Poco después, Bohr fue de Princeton a Columbia para ver a Fermi. Al no encontrarlo en su oficina, Bohr bajó al área del ciclotrón y encontró a Herbert L. Anderson . Bohr lo tomó por el hombro y le dijo: «Joven, déjame explicarte algo nuevo y emocionante en física». ^{[ 115 ]}

Para muchos científicos de Columbia, era evidente que debían intentar detectar la energía liberada en la fisión nuclear del uranio mediante bombardeo de neutrones. El 25 de enero de 1939, un grupo de la Universidad de Columbia llevó a cabo el primer experimento de fisión nuclear en Estados Unidos, ^{[ 116 ]} que se realizó en el sótano de Pupin Hall . El experimento consistió en colocar óxido de uranio dentro de una cámara de ionización e irradiarlo con neutrones, midiendo la energía liberada. Al día siguiente, la Quinta Conferencia de Washington sobre Física Teórica comenzó en Washington, D.C. , bajo los auspicios conjuntos de la Universidad George Washington y la Institución Carnegie de Washington . A partir de ahí, la noticia sobre la fisión nuclear se extendió aún más, lo que propició muchas más demostraciones experimentales. ^{[ 117 ]}

Bohr y Wheeler revisaron el modelo de gota líquida para explicar el mecanismo de la fisión nuclear, con un éxito notable. ^{[ 118 ]} Su artículo apareció en Physical Review el 1 de septiembre de 1939, el día en que Alemania invadió Polonia , dando inicio a la Segunda Guerra Mundial en Europa. ^{[ 119 ]} A medida que los físicos experimentales estudiaban la fisión, descubrieron resultados más desconcertantes. George Placzek le preguntó a Bohr por qué el uranio se fisionaba tanto con neutrones muy rápidos como con neutrones muy lentos. Caminando hacia una reunión con Wheeler, Bohr tuvo la intuición de que la fisión a bajas energías se debía al isótopo uranio-235, mientras que a altas energías se debía principalmente al isótopo uranio-238, mucho más abundante . ^{[ 120 ]} Esto se basó en las mediciones de Meitner de 1937 de las secciones transversales de captura de neutrones. ^{[ 121 ]} Esto se verificaría experimentalmente en febrero de 1940, después de que Alfred Nier lograra producir suficiente uranio-235 puro para que John R. Dunning , Aristid von Grosse y Eugene T. Booth lo probaran. ^{[ 113 ]}

Otros científicos reanudaron la búsqueda del esquivo elemento 93, que parecía sencilla, ya que ahora sabían que resultaba de una vida media de 23 minutos. En el Laboratorio de Radiación de Berkeley, California , Emilio Segrè y Edwin McMillan utilizaron el ciclotrón para crear el isótopo. Detectaron entonces una actividad beta con una vida media de 2 días, pero tenía características químicas de elementos de tierras raras , y se suponía que el elemento 93 tenía una química similar a la del renio. Por lo tanto, se pasó por alto como un simple producto de fisión. Pasó otro año antes de que McMillan y Philip Abelson determinaran que el elemento con una vida media de 2 días era el esquivo elemento 93, al que llamaron " neptunio ". Esto allanó el camino para el descubrimiento por parte de Glenn Seaborg , Emilio Segrè y Joseph W. Kennedy del elemento 94, al que llamaron " plutonio " en 1941. ^{[ 122 ] [ 123 ]}

Otra línea de investigación, liderada por Meitner, consistió en determinar si otros elementos podían fisionarse tras ser irradiados con neutrones. Pronto se determinó que el torio y el protactinio sí podían. También se midió la cantidad de energía liberada. ^{[ 21 ]} Hans von Halban, Frédéric Joliot-Curie y Lew Kowarski demostraron que el uranio bombardeado con neutrones emitía más neutrones de los que absorbía, lo que sugería la posibilidad de una reacción nuclear en cadena. ^{[ 124 ]} Fermi y Anderson también lo hicieron unas semanas después. ^{[ 125 ] [ 126 ]} Para muchos científicos era evidente que, al menos en teoría, se podía crear una fuente de energía extremadamente potente, aunque la mayoría seguía considerando la bomba atómica una imposibilidad. ^{[ 127 ]}

Tanto Hahn como Meitner habían sido nominados al Premio Nobel de Química y Física en numerosas ocasiones, incluso antes del descubrimiento de la fisión nuclear, por su trabajo sobre isótopos radiactivos y protactinio. Varias nominaciones más siguieron al descubrimiento de la fisión entre 1940 y 1943. ^{[ 27 ] [ 28 ]} Las nominaciones al Premio Nobel fueron evaluadas por comités de cinco miembros, uno para cada premio. Aunque tanto Hahn como Meitner recibieron nominaciones en física, la radiactividad y los elementos radiactivos se habían considerado tradicionalmente dominio de la química, por lo que el Comité Nobel de Química evaluó las nominaciones en 1944. ^{[ 128 ]}

El comité recibió informes de Theodor Svedberg en 1941 y de Arne Westgren en 1942. Estos químicos quedaron impresionados por el trabajo de Hahn, pero consideraron que el trabajo experimental de Meitner y Frisch no era extraordinario. No comprendían por qué la comunidad de físicos consideraba su trabajo como fundamental. En cuanto a Strassmann, aunque su nombre figuraba en los artículos, existía una política arraigada de otorgar premios al científico de mayor antigüedad en una colaboración. En 1944, el Comité Nobel de Química votó a favor de recomendar que Hahn recibiera únicamente el Premio Nobel de Química de 1944. ^{[ 128 ]} Sin embargo, a los alemanes se les había prohibido aceptar Premios Nobel después de que el Premio Nobel de la Paz se otorgara a Carl von Ossietzky en 1936. ^{[ 129 ]} La recomendación del comité fue rechazada por la Real Academia Sueca de Ciencias , que decidió aplazar el premio un año. ^{[ 128 ]}

La guerra había terminado cuando la academia reconsideró el premio en septiembre de 1945. El Comité Nobel de Química se había vuelto más cauteloso, ya que era evidente que el Proyecto Manhattan había llevado a cabo mucha investigación en secreto en Estados Unidos, y sugirió aplazar el Premio Nobel de Química de 1944 un año más. La academia se dejó influir por Göran Liljestrand , quien argumentó que era importante que la academia afirmara su independencia de los Aliados de la Segunda Guerra Mundial y otorgara el Premio Nobel de Química a un alemán, ^{[ 130 ]} como lo había hecho después de la Primera Guerra Mundial al concedérselo a Fritz Haber . Por lo tanto, Hahn se convirtió en el único receptor del Premio Nobel de Química de 1944 "por su descubrimiento de la fisión de núcleos pesados". ^{[ 131 ]}

Meitner escribió en una carta a su amiga Birgit Broomé-Aminoff el 20 de noviembre de 1945:

Sin duda, Hahn merecía plenamente el Premio Nobel de Química. No cabe la menor duda. Pero creo que Otto Robert Frisch y yo contribuimos de manera significativa a la clarificación del proceso de fisión del uranio: cómo se origina y por qué produce tanta energía, algo que Hahn desconocía por completo. Por ello, me pareció un tanto injusto que en los periódicos me llamaran " Mitarbeiterin" [subordinada] de Hahn, en el mismo sentido que a Strassmann. ^{[ 132 ]}

En 1946, el Comité Nobel de Física consideró las nominaciones para Meitner y Frisch recibidas de Max von Laue , Niels Bohr, Oskar Klein , Egil Hylleraas y James Franck. Erik Hulthén, catedrático de física experimental en la Universidad de Estocolmo , redactó informes para el comité en 1945 y 1946. Hulthén argumentó que la física teórica solo debería considerarse merecedora de un premio si inspiraba grandes experimentos. No se comprendió el papel de Meitner y Frisch como los primeros en entender y explicar la fisión. También pudieron haber influido factores personales: el presidente del comité, Manne Siegbahn , sentía aversión por Meitner y mantenía una rivalidad profesional con Klein. ^{[ 128 ] [ 133 ]} Meitner y Frisch continuaron siendo nominados regularmente durante muchos años, pero nunca recibieron un Premio Nobel. ^{[ 28 ] [ 128 ] [ 134 ]}