恩一起发现了一系列放射性同位素。但此时，她的身份是“哈恩的助手”，不被允许独立完成实验。直到第一次世界大战爆发，哈恩赴前线参战，莉泽终于获得了独立做实验的机会。

1912年到1915年，莉泽跟随着名物理学家普朗克工作，并于1913年终于成为研究所的正式成员（之前她所有的工作都是无偿的）。一战期间，她也曾上战场，在战地医院做护士。1917年，她回到了实验室，与哈恩合作发现了镤的同位素镤231。遗憾的是，在1944年，哈恩因放射性研究而获诺贝尔化学奖时，莉泽·迈特纳的名字却被忽略了，尽管她在此方面付出的努力、取得的成果并不比哈恩少，但她的研究成果都被归到了哈恩名下。

1938年，二战开始，希特勒大肆屠杀犹太人，莉泽只得逃往荷兰避难，并于1938年8月来到了挪威。经过奋力争取，莉泽在位于斯德哥尔摩的诺贝尔研究所谋得了一个职位。但是，当时她的上司马内·西格班（Manne Siegbahn）歧视她，将她隔离在科学研究的基础设施之外。此时，曾经的同事哈恩写信告诉她，自己发现了用中子作用于铀得到的产物具有钡的放射性这一事实。莉泽立刻与合作者弗里施一起对这一惊人的实验结果作出了理论解释，并发表在1939年1月出版的《自然》杂志上。

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在这篇文章中，她提出了一个物理学上的新概念——核裂变。莉泽是最早提出“裂变”这一词的人。在莉泽提出的理论中，裂变后的原子核总质量比裂变前的铀原子核质量小，这其中的质量差转换成了能量。她利用爱因斯坦的质能方程计算出裂变过程中每个原子核释放2亿电子伏特的能量，这一研究成果奠定了原子弹和原子能研究的基础。也因为这一研究成果，莉泽被称为“原子弹之母”。

尽管被欧洲人称为“原子弹之母”，莉泽却从未参加过原子弹的研制工作。她多次拒绝了美国曼哈顿计划（Manhattan Project）的邀请，二战期间，她一直留在瑞典。在1944年之后，她曾三次获诺奖提名，但都很遗憾没能获奖。从1947年开始，莉泽在瑞典皇家工学院领导物理学组的研究工作，并陆续在美国的一些大学担任客座教授。也是在1947年，莉泽获得了维也纳科学荣誉奖，并当选为奥地利科学院第一位女院士。

在二战期间，哈恩将莉泽的成果归于自己名下，声称是对她的保护。然而纳粹倒台后，哈恩依然继续霸占着莉泽的研究成果。尽管玻尔、斯特拉斯曼等物理学家均对莉泽的研究成果予以肯定，哈恩依然不愿将属于莉泽的研究成果归还给她。莉泽对此非常失望，最终共事十余年的两人彻底断绝了来往。莉泽终身未婚，没有子女，这似乎源于她对物理学的无限热爱，也许更因为当时欧美的女性地位：虽然两次世界大战期间，涌现出一批职业女性，但她们绝大多数是单身女性。在人们的普遍观念中，女性如果结婚，就必须全身心投入到家庭生活中，做家庭主妇，相夫教子，即使是总统的夫人也不能免俗。而莉泽曾说过：“我爱物理，我很难想象我的生活中没有物理会怎样。这是一种非常亲密的爱，就好像爱一个对我帮助很多的人一样。”晚年的莉泽·迈特纳与侄子一家住在英国剑桥，并一直积极争取和平利用核裂变。

1966年以后，在原子物理领域工作了60年的迈特纳，真正受到了世界的关注。她曾在联合国原子能委员会任职，并获得了无数的荣誉奖章。在瑞典，她还帮助建设了第一批和平时期的核反应堆。一直关注莉泽·迈特纳的爱因斯坦，称她为“德国的玛丽·居里（Marie Curie）”。

1968年10月27日，莉泽·迈特纳去世。她的墓碑上刻着“一位从未失去人性的物理学家（A physics