Junto a Lise Meitner y Otto von Baeyer, desarrolló una técnica para medir los espectros de la desintegración beta de isótopos radiactivos; para su fortuna este logro fue reconocido y le aseguró el puesto de profesor en el Instituto de Química Kaiser-Wilhelm de Berlín en 1912. En 1918, junto con Meitner, descubrió el protactinio. Cuando Meitner huyó de la Alemania nazi en 1938, él continuó el trabajo con Fritz Strassmann en la dilucidación del resultado de bombardeo del uranio con los neutrones térmicos. Comunicó sus resultados a Meitner quien, en colaboración con su sobrino Otto Roberto Frisch, los interpretó correctamente como evidencia de la fisión nuclear (una frase acuñada por Frisch). Una vez que la idea de la fisión fue aceptada, Hahn continuó sus experimentos y demostró las cantidades enormes de energía que se liberan en la fisión inducida con neutrones y que podría tener uso pacífico o para la guerra.
Al transcurrir la Segunda Guerra Mundial, Otto Hahn estuvo entre los científicos alemanes puestos bajo vigilancia por el programa aliado ALSOS, que lo incluyó en el proyecto alemán de energía nuclear para desarrollar una bomba atómica (su sola conexión era el descubrimiento de la fisión, él no trabajó en el programa).
A Hahn le fue concedido el premio Nobel de Química en 1944, pero en la ceremonia de entrega el presidente del comité Nobel para Química anunció: "El profesor Hahn nos ha informado que estima deplorable asistir a esta ceremonia." Fue apresado por los británicos, quienes buscaban información sobre el esfuerzo alemán fallido de desarrollar una bomba atómica.
En la era de la posguerra Hahn destacó como un firme opositor al uso de armas nucleares. Se propuso en diversas ocasiones que los elementos 105 y 108 de la tabla periódica se llamasen Hahnium en honor de Hahn, pero ninguna de estas propuestas fue aprobada. Sin embargo, uno de los pocos buques mercantes de propulsión nucleares del mundo, el Otto Hahn, fue bautizado así en su honor
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