Meitner sai Plancki assistendiks. Esimesel aastatel töötas ta koos keemiku Otto Hahniga ja avastas koos temaga mitu uut isotoopi. 1909. aastal esitas ta kaks artiklit beeta-kiirguse kohta. Ta avastas koos Otto Hahniga ka füüsikalise eraldamise meetodi, mida tuntakse kui radioaktiivset tagasilööki, kus tütartuum on jõuga välja visatud oma maatriksist, kuna see laguneb lagunemise hetkel.
Otto Hahn