По окончании двухлетней ассистентской работы у Гана появился шанс занять хорошее место на одном из химических заводов. Но требовалось знание английского языка, и для его усовершенствования осенью 1904 года он отправился на несколько месяцев в Англию. Чтобы он мог продолжать образование и по специальности, Цинке дал ему рекомендательное письмо к известному химику сэру У. Рамзаю, профессору Лондонского университета.

Здесь Ган впервые начал исследования, связанные с радиоактивностью. Проводя эксперименты по выделению чистого радия из руды карбоната бария, он получил в 1905 году новый радиоактивный элемент – радиоторий.

По просьбе Гана Рамзай рекомендовал его Э. Резерфорду, работавшему в то время в Монреальском университете в Канаде.

«Для пополнения моих очень скудных знаний по радиоактивности, – писал он в воспоминаниях, – я поехал в Канаду к профессору Резерфорду, к лучшему наставнику в этой новой области. Все здесь было настолько ново, что открытия делать было нетрудно. Три еще недостаточно исследованных ряда радиоактивного распада могли быть заполнены после нахождения следующих активных «элементов»».

Под руководством Резерфорда молодой ученый в 1906 году открыл актиний. Вернувшись в том же году в Берлин, Ган продолжил работы по радиоактивности в Химическом институте университета. Здесь на месте бывшей столярки, служившей ученому лабораторией в течение шести лет, в 1906 – начале 1907 года ему удалось открыть новое вещество – мезоторий.

Тогда же состоялась встреча Гана с Лизой Мейтнер, физиком-экспериментатором, и началась их тридцатилетняя совместная деятельность. Доли участия ученых в исследованиях были примерно одинаковыми. В соответствии со своим образованием Мейтнер разрабатывала больше физическую, а Ган – химическую стороны общих проблем. Поэтому такое сотрудничество было особенно удачным.

«Наряду с моими чисто химическими работами, – говорил позднее Ган, – мы приступили теперь с физиком Лизой Мейтнер к исследованиям лучей радиоактивных веществ, прежде всего так называемых бета– и гамма-лучей. От моей органической химии больше ничего не осталось, завершилась трансмутация органика в исследователя атома».

Через два года они экспериментально доказали явление радиоактивной отдачи. Для дальнейшего развития атомной физики радиоактивная отдача имела особое значение, прежде всего для открытия нейтронов и искусственной радиоактивности.

В конце 1912 года был торжественно открыт институт в Берлин-Далеме. Ган, возглавлявший отделение радиоактивности, получил на первом этаже лишь химическую лабораторию. Это, впрочем, не помешало эффективной деятельности ученого.

Во время Первой мировой войны Ган, как «вице-фельдфебель», был призван на военную службу. По ходатайству известного ученого-химика Ф. Габера его прикомандировали к специальному отделению, что дало ему возможность часто бывать в Берлине по служебным делам, а значит, и снова участвовать в исследованиях.

Совместные исследования с Мейтнер актиния, начатые еще в 1913 году, привели в 1917 году к открытию нового химического элемента, протактиния – единственного радиоактивного вещества в периодической системе, кроме радия, которое можно добывать граммами.

В 1925 году Ган в одной из публичных лекций в Берлинской академии наук предложил рассмотреть вопрос об использовании радиоактивности для исследования истории Земли. Исследуя канадскую слюду, содержащую рубидий, ученый пришел к выводу о возможности нового метода определения возраста земных пород, который имел множество преимуществ. Предложенный им новый метод оказался эффективным и при определении возраста каменных метеоритов.

В 1928 году Гана назначили директором Института химии. Одновременно он продолжал преподавать в университете, хотя его преподавательская деятельность и отходила на задний план в сравнении с исследовательской.

После прихода к власти в 1933 году Гитлера Мейтнер как лицо неарийского происхождения потеряла право преподавания. Ган и Планк пытались, обратившись в министерство, воспрепятствовать осуществлению предполагаемых мер против нее. Но ничего не помогло, ситуация становилась все опаснее, и в июле 1938 года Мейтнер покинула Германию.

В том же году, развивая работы французских ученых И. и Ф. Жолио-Кюри, Ган и его ученик Ф. Штрассман открыли явление деления ядер урана при бомбардировке их медленными нейтронами, т е. впервые расщепили атомное ядро.

«Заинтригованный казавшимися невероятными результатами французских ученых, Ган решил немедленно проверить их на урановых и ториевых препаратах, – рассказывается в книге К. Манолова и В. Тютюнника «Биография атома». – При облучении соединений урана нейтронами Ган и Штрассман установили, что в продуктах содержится ничтожно малое количество радия. Это можно было доказать, используя испытанный и многократно проверенный на практике метод соосаждения. Урановый препарат растворяли в воде и к раствору добавляли хлорид бария, затем серную кислоту, которая связывала ионы бария в нерастворимый осадок сульфата бария. Радий, образовавшийся при распаде урана, осаждался в виде нерастворимого сульфата вместе с сульфатом бария. Этот осадок можно было легко отделить от раствора, содержащего уран, и после промывания измерить его активность.