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Im Jahr 1907 ging sie zur weiteren wissenschaftlichen Ausbildung nach Berlin, wo sie vor allem Vorlesungen bei Max Planck hören wollte. Dort traf sie erstmals auf den jungen Chemiker Otto Hahn, mit dem sie die folgenden 30 Jahre zusammenarbeiten sollte. Sie arbeitete mit Hahn – wie er auch – als „unbezahlter Gast“ in Plancks Arbeitsraum, einer ehemaligen Holzwerkstatt, im Chemischen Institut der Friedrich-Wilhelms-Universität in der Hessischen Straße. Da im damaligen Preußen Frauen noch nicht studieren durften, musste sie das Gebäude immer durch den Hintereingang betreten und durfte die Vorlesungsräume und Experimentierräume der Studenten nicht betreten. Dieses Verbot fiel erst 1909, nachdem das Frauenstudium in Preußen offiziell eingeführt worden war.

Otto Hahn entdeckte 1909 den radioaktiven Rückstoß und mit der sich daran anschließenden „Rückstoßmethode“ fanden Hahn und Lise Meitner in den Folgejahren auch diverse radioaktive Nuklide. Durch diese Erfolge machte sich Lise Meitner in der Physik einen Namen und lernte unter anderem Albert Einstein und Marie Curie persönlich kennen. Von 1912 bis 1915 war sie inoffizielle Assistentin bei Max Planck.