人工蜕变和人工放射性的发现都有是物理学界的重大事件，核反应产生的众多新化学元素为化学的发展，特别是微量元素和放射性化学元素的辨认和分离提供了动力，给化学家们提供了施展才能的天地。德国化学家哈恩就是其中重要的一位科学家。
哈恩早在大学读书时，就对刚刚由居里夫人发展起来的放射化学很感兴趣。他在为化学家拉姆赛当助手时曾成功地分离出钋的一种同位素。1905年，哈恩又在卢瑟福的指导下工作过。在返回德国的几年后，他在柏林的凯撒·威廉研究院内建立了自己的化学研究所，并与女物理学家迈特纳建立了很好的合作关系。他们将最新的物理思想和最新的化学方法融合在一起，长期从事核反应后所产生元素的辨认、分离和理论分析工作。
费米的研究小组在研究被中子轰击过的铀的成分时，曾怀疑有比铀更重的元素——超铀元素在核反应中产生。不久，约里奥·居里小组怀疑在核反应产物中存在着轻元素。
迈特纳和哈恩立即着手研究这个复杂的问题。哈恩集中精力用化学的方法去分析经过中子轰击过的铀材料的成分，从最初的实验结果中，他也怀疑有超铀元素存在。
正当他们的工作日益紧张时，迈特纳的人身安全受到了威胁。她是持奥地利护照的犹太人，当纳粹德国占领奥地利后，她失去了国籍，成为纳粹迫害的对象。在朋友的帮助下，她离开了曾工作过30年的柏林实验室，经荷兰到瑞典斯德哥尔摩的诺贝尔物理研究所继续从事研究工作。
迈特纳离开后，哈恩和他的助手史特拉斯曼继续在柏林的实验室分析被中子照射过的铀材料，并不断将结果通报给迈特纳。哈恩首先发现在产物中有像镭一样的元素，约里奥在此之前也宣称得到了同样的结果。根据传统的理论，这种现象无法得到解释。这一切都发生在1938年圣诞节的前夕，哈恩感到重要的是尽快发表自己的工作报告。他采取了不一般的措施，打电话给他的朋友，斯普林格出版社的经理保罗·罗兹保德博士，请求他在最近一期的《自然科学》杂志上留下一栏，以便发表一个非常紧急的消息。罗兹保德同意了。于是，这篇注明1938年12月22日的文章，就从哈恩的办公桌上送到邮局去了。哈恩后来在回忆这段往事时说：
“当文章送往邮局之后，我又感到这一事件是不可能的，以至于想把文章从邮箱里拿出来。”
1938年的圣诞节，对于迈特纳来说是极不寻常的。过去，她总是喜欢把她的外甥弗里施接到柏林，与她一起欢度圣诞节，并讨论物理问题。如今，在研究工作最重要的时刻，她却被迫离开实验室。弗里施在她的影响下，也成为一名出色的物理学家。他从1934年就流亡国外，在哥本哈根的玻尔研究所工作。为了保持过去的传统，迈特纳邀请弗里施到瑞典的一个小镇孔古尔过节。就在这时，她收到了哈恩寄给她的内容最为丰富而又令人费解的“圣诞卡”。哈恩肯定地告诉她，他在被中子照射过的铀材料中发现了钡的同位素。他希望迈特纳能做一些计算，从物理上找出这一现象的原因，并发表它。
哈恩的这个发现如果不是实验上的错误，那么就意味着铀元素可能分裂成两块了，因为钡的原子量只有铀的一半左右。迈特纳相信哈恩的结果是不会错的，而当时物理学家们认为原子核是不可能获得足够的能量而分裂成两块的。读罢哈恩寄来的“圣诞卡”，迈特纳和弗里施在瑞典一片寒冷的雪地里进行了很长时间的讨论和计算，终于在理论上对这一现象作出了圆满的解释。
弗里施当时在玻尔研究所工作，迈特纳也与玻尔研究所有相当紧密的联系，两个人都很熟悉玻尔和他的同事们在核物理方面的工作。他们想到了由伽莫夫提出的并在玻尔研究所发展起来的原子核的液滴模型。如果原子核真像液滴那样，那么它就有可能缓慢地变成一个椭球，然后分成两块。
由于原子核中的质子是带电的，如果带电的粒子多到一定的程度，巨大的电磁斥力就有可能使原子核自发地或在外界不强的影响下分裂成两块。迈特纳和弗里施通过简单计算，发现铀核中的质子数正好能够产生这种现象。
他们在计算中又发现了一个更重要的问题：原子核分裂成两块后，它们将由于巨大的电磁斥力而相互高速飞离，而且带有2亿电子伏特的动能。迈特纳和弗里施认真地考虑了这个能量的来源。由于入射中子的能量是很小的，惟一可能的能量来源只能来自于原子核的内部。迈特纳对原子核质量的经验公式很熟悉，立即计算出反应后产物的总质量比反应前总质量少了相当于质子质量的1／5。按照爱因斯坦著名的质能公式：E=mc2（E为能量，m为质量，c为真空中的光速），2亿电子伏特正好相当于1／5个质子质量的等价能量。
迈特纳和弗里施不但证明了原子核的分裂，更重要的是，他们创造性地应用和证明了爱因斯坦的质量能量公式，从而揭不出人类也可以将物质的部分质量直接转换为巨大的、并能被人类直接利用的能量，这是爱因斯坦当年所没有考虑到的。迈特纳与弗里施的工作，是将不同的物理学思想融合在一起，然后去解释新现象的典范。
当弗里施回到哥本哈根时，玻尔正准备上船去美国讲学。弗里施用几分钟的时间向玻尔报告了这一发现，玻尔拍了一下自己的前额，大声说：“太漂亮了，事情应该就是这样！我们怎么那么久没有发现这一点呢！”
玻尔是当时杰出的物理学大师，能够得到他的赞许，弗里施想必会心情激动，勇气倍增。于是，他立即在研究所里用电离室研究中子轰击铀时产生的碎片，发现了很强的碎片产生的信号，从而以物理实验证实了铀的分裂。他从一位在哥本哈根访问的美国生物学家那里借来了细菌分裂时的“裂变”一词，以描述原子核的分裂。通过在长途电话里与迈特纳讨论了几次后，弗里施将这一发现写成论文，寄给英国的《自然》杂志。1939年2月11日，论文正式在《自然》杂志上发表。
当这个消息传到美国华盛顿时，乔治·华盛顿大学与卡耐基研究院正联合召开一个物理学会会议。会议结束之前，几所美国大学的科学家们对铀原子核进行连续4昼夜的分裂实验，都得到了肯定的结果，并将其发表在2月15日的《物理评论》杂志。
当年卢瑟福用a粒子不仅打破了氮原子，而且也打破了许多人对世界的认识，这就不免又燃起了几百年来人们已经遗忘了的对世界末日的恐惧。新型的核反应能够放出惊人的巨大能量，这个现象引起科学界的巨大震惊。有的人欢欣鼓舞，认为这是开辟了世界能源的新领域；有的人则极为恐惧不安，害怕这一科研成果会被战争狂人用来屠杀人类，制造灾难性的武器。哈恩本人也感到不安，大声疾呼：“这是违背上帝的意志的。”但是，当时的这类发现与日常生活很少有关系。根据物理学家复杂的研究结果而形成了对世界“真实本质”的一些概念，按照一般人的想法，这完全是科学家们个人的事情，甚至连科学家们自己都没有指望能从他们的发现中得到什么实际结果。例如，卢瑟福就曾断言，人类在任何时候都将不能利用蕴藏在原子中的能量。这种错误的见解，卢瑟福直到死还固执地坚持着。
铀核裂变能够释放出巨大的能量，并且同时放出2～3个中子，这就表明原子核有可能发生裂变链式反应。1939年9月初，玻尔和他的合作者惠勒从理论上阐述了原子核裂变反应过程，并指出能引起这一反应的最适宜的核素就是铀-235，这就找到了人类打开原子弹奥秘的“金钥匙”。
从此，人类正式进入了核时代。
