（第一节）古代的元素观
论证与推测的方法是古代的希腊哲学家在处理问题时常常采用的方法。他们曾经断言说，大地是由很少几种“元素”或基质组成的。例如，公元前430年左右的恩培多克勒认为这样的元素共有四种，即土、空气、水与火。亚里士多德在1个世纪以后又提出，天是由第五种元素——以太构成的。
作为古希腊人在研究物质问题上的继承人，中世纪的炼金术士虽然很深地掉进了魔术与江湖骗术的泥坑，但由于他们至少还能处理他们所摆弄的材料，因此能得出一些比古希腊人更精明、更合理的结论。为了解释物质为什么会有不同的性质，这些炼金术士不但又增添了几种所谓控制性元素，而且还分别为每一种控制性元素加上了一种特性。例如，他们把汞看做是使物质具有金属属性的元素，并把硫看做是使物质具有可燃性的元素。后来，最杰出的炼金术士——16世纪的瑞士医生提奥夫拉斯塔，又在这些元素中加上了一个元素——盐，并认为它是使物质具有抗热性能的元素。
炼金术士们认为，只要按合适的此例加进某些元素与取出某些元素，一种物质就会变成另一种物质。比如说，只要在铅这种金属中加进适量的水银，铅就会变成金子。为了寻找把“贱金属”变为金子的方法，炼金术士们一直摸索了好几个世纪。他们在这个摸索的过程中，发现了无机酸与磷这类比黄金更为重要的物质。
然而，贵重金属一直是炼金术士所追求的主要方向，其中有一些无耻之徒甚至热衷于弄虚作假，伪称他们会变出黄金，以便从有钱的资助者那里骗取所谓“研究经费”。这就使得这个行业声名狼藉，终于使得“炼金术士”这个名称本身也遭到摒弃。到了17世纪，人们改用“化学家”这个名称来代替“炼金术士”，炼金术也一步步发展成为一门被称为“化学”的科学。
（第二节）元素周期律的建立
化学这门科学刚刚诞生时，就涌现出来了许多卓越的化学家，波意耳就是其中之一。他建立了波意耳气体定律。在1661年又出版了《怀疑主义的化学家》一书，书中他第一次给元素下了一个明确的新定义：元素是一种基质，它能够与其他元素相结合而形成“化合物”，但把它从化合物中分离出来以后，它便不能再被分解为任何比它更简单的物质了。
然而，在什么是真正的元素这一问题上，波意耳依旧保留了中世纪的观点。例如，他认为金不是一种元素，而是能够通过某种方式由其他金属变成的。事实上，他的同时代的人牛顿也是这样，他曾经花费了大量时间去搞炼金术。
波意耳去世以后，化学工作者开始想弄清哪些物质能够再分解为更简单的物质，哪些物质不能够再分解。例如，卡文迪许曾指出，由于氢能够与氧相化合而形成水，所以水不可能是一种元素。后来，拉瓦锡又把曾经被认为是元素的空气分为氧与氮。这样一来，古希腊人所设想的那四种元素，如果按波意耳所定的准则来判断，就没有一种可算得上是元素。
按波意耳的准则，中世纪的炼金术士们所列出的有些元素，如汞与硫，确实可算得上是元素。但是，没有被他们当作元素的铁、锌、铅、铜、银、金等金属与磷、碳、砷等非金属，这时也都被判明是元素，而被提奥夫拉斯塔当作元素的盐，则终于被分解成两种更简单的物质。
要判别一种物质是不是元素，这完全依赖于当时的化学水平。只要某种物质用当时的化学技术还不能加以分解，这种物质就一直被看成是一种元素。例如，在拉瓦锡的元素表中共有33种元素，其中就包括石灰与镁灰。但是在拉瓦锡死后14年，英国化学家戴维用电流来分解这两种物质，结果把石灰分解为氧与一种被他称为“钙”的新元素，把镁灰分解为氧与另一种被他称为“镁”的新元素。另一方面，戴维在当时就已经可以指出，瑞典化学家舍勒用盐酸制出的绿色气体并不像人们所设想的那样，是盐酸与氧的化合物，而是一种名副其实的元素，他把这种元素定名为“氯”（这个名词出自希腊文，原意是“绿色的”）。
随着19世纪的渐进，元素数量逐渐增多，而由于每一种元素都具有不同的特性，化学家们开始感到他们像是迷失在一座茂密的丛林中：自然界究竟有多少种元素？它们之间的内在关系怎样？有没有规律？怎样分类？由于科学的精髓就在于要从表面的杂乱中理出秩序来，所以科学家们一直想从元素的特性当中找出某种规律来。
1829年，人类已经知道的元素有50种左右。德国人多贝赖纳发现有些元素性质相近，在原子量上有一种算术级数的关系。他对15种元素进行分组，三个一组，分成五组。这是根据元素性质与原子量对部分元素进行分类的首次尝试，它对后来周期律的发现是很有启发的。
在康尼札罗把原子量确定为化学上的一个重要的研究手段以后，法国的地质学家比古耶·德尚库图瓦在1862年发现，如果按原子量递增的顺序把元素排列成表的形式，他能使性质相似的元素处在同一栏内。两年以后，英国青年化学家纽兰兹也发现：按原子量递增的顺序，每隔8个元素就有重复的物理与化学性质出现，因为与音乐上的八度音相似，所以称“八音律”。但是，他们两人还没有认识到在已知元素之间还有未发现的元素，因此“八音律”存在许多矛盾。
1866年，纽兰兹在英国化学学会上提出了“八音律”的见解时，引起了哄堂大笑。有人讽刺说，你怎么不按元素的字母排列呢？可见要让人们接受一个青年人提出的新的但是还不完整的思想，是多么的困难，科学界内部的保守势力同样在阻碍科学的进步。许多年以后，即在元素周期表的重要性得到普遍承认以后，他们的论文才得以发表；纽兰兹甚至还因此而获得了勋章。
在过往经验与研究的基础上，俄国化学家门捷列夫终于从杂乱无章的元素迷宫中理出了一个头绪。门捷列夫为了研究元素的分类与规律，把当时已知的几十种元素的主要性质与原子量写在一张张的小卡片上，反复进行排列，比较它们的性质，探索它们之间的联系。1869年，他正式提出元素周期律，它在周期表中排列了当时已经知道的63种元素。门捷列夫的元素周期律的原理基本上同德尚库图瓦以及纽兰兹的相同，不过门捷列夫的周期律更加的科学与完整，同时也比他们具有更大的勇气与信心来宣扬他的观点。
门捷列夫的“周期表”比纽兰兹的元素表更为复杂，也更接近我们今天认为是正确的东西。当某一元素的性质使它不能按原子量来排列时，门捷列夫就大胆地把它的排列位置调换一下，他这样做的根据是：元素的性质比元素的原子量更为重要。后来证明，他这样做是正确的。例如，碲的原子量是127.61，如果按原子量排，它应该排在碘的后面，因为碘的原子量是126.91。但是在这个分栏的周期表中，门捷列夫把碲提到碘的前面，以便使它位于性质与它极为相似的硒的下面，并使碘位于性质与碘极为相似的溴的下面。
当找不出任何别的办法使排列不致违背即定原则时，门捷列夫就在周期表中留出空位，并以一种似乎是十分大胆的口气宣布说：属于这些空位的元素将来一定会被发现。不仅如此，他还用表中待填补进去的元素的上、下两个元素的特性作为参考，指出表中三个待填补的元素的大致性状。
在这件事上门捷列夫是很幸运的：他所预言的这三种元素全都在他还活着的时候被发现了。1875年，法国化学家布瓦博德郎在研究闪锌矿时发现了新元素镓，它和门捷列夫预言的亚铝性质一样。于是镓就成为化学史上第一个先有理论预言，后被发现认证的元素。1879年，瑞典化学家尼尔森发现了亚硼——钪；1886年德国化学家温克勒尔发现亚硅——锗。门捷列夫预言未知元素15种，后都被实践所证实。
在元素周期律发现以前，人们发现元素是偶然的，常常会有某一个新发现的元素突然闯进到元素的序列中，把原先采用的序列打乱。在周期律的指导下，人们就能够有计划、有目的的寻找化学元素了。
在门捷列夫制定元素周期表的时候，惰性元素还没有被发现，因此没有给它们排列位置。1894年发现了氩，紧接着又发现了其他惰性元素。门捷列夫尊重事实，在周期表中补充了惰性元素族，完善了元素周期律。
（第三节）寻找填补空位的新元素
伦琴发现的X射线为周期表的历史开辟了一个新的时代。1911年，英国物理学家巴拉克发现，当X射线被金属散射时，散射后的X射线的穿透本领会随着金属的不同而迥然不同。
1914年，英国青年物理学家莫塞莱确定了各种金属所产生的标识X射线的波长，并得到了一个重要的发现：各元素的波长十分有规律地随着它们在周期表中的排列顺序而递减。这使得各种元素在周期表中应处的位置完全固定下来了。如果周期表中有两个挨在一起的元素，它们所产生的X射线的波长差比原来预期的差值大一倍的话，那么，它们之间肯定应当有一个属于一个未知元素的空位；如果两个元素的标志X射线的波长差同预期值并没有出入，那么，就能够肯定它们之间并不存在着待填补进去的元素。这样，人们就有可能确切地知道元素的确定数目了。
化学家们当时把元素从1（氢）一直排列到92（铀），并发现这种“原子序数”不仅对于了解原子的内部结构非常重要，而且比原子量更为重要。莫塞莱的新体系几乎立即就被证明是很有价值的。
法国化学家于尔班在发现了镥以后，曾经宣布他又发现了另外一种被称之为“锯”的新元素，根据莫塞莱的体系，镥是第71号元素，而“锯”则应该是第72号元素。但是在莫塞莱分析了“锯”的标志X射线以后，弄清了所谓“锯”实际上仍然是镥。第72号元素一直到1923年，才被丹麦物理学家科斯特与匈牙利化学家赫维西在哥本哈根的一个实验室中检测出来，并定名为铪。
当莫塞莱的方法的准确性得到了证实的时候，他已经不在人世了，他是在1915年作为第一次世界大战的牺牲者，在加利波利死去的，当时才28岁。瑞典物理学家西格班扩展了莫塞莱的工作，他发现了一系列新的X射线，并精确地测定了各种元素的X射线谱，并因此项工作而获得了1924年的诺贝尔物理学奖。
1925年，德国的诺达克、塔克与贝格又填补了周期表的另外一个空位。他们在对可能含有他们要寻找的这种元素的矿石进行了三年的研究以后，终于发现了第75号元素，并把它定名为铼。这就使得周期表中尚待填补的空位只剩下了四个，即第43号、第61号、第85号与第87号元素。
没想到的是，人们为了寻找剩下的这四个元素，用了整整20年的时间，因为化学家们当时并没有认识到，所有的稳定性元素已经全部找到了，尚待填补的这几个元素都是不稳定的元素，它们在今天的地球上已经极其稀少，因而除了其中一个元素以外，全都必须在实验室中用人工方法制备出来，才能加以证认，而这里就大有文章了。
（第四节）放射性元素
在伦琴发现X射线以后，许多科学家都兴致勃勃地去研究这类新的、具有巨大穿透能力的辐射，法国物理学家亨利·贝克勒尔就是其中之一。他的父亲亚历山大·贝克勒尔对“荧光”特别感兴趣（荧光是某些物质被日光的紫外线照射以后所发出的可见辐射）。老贝克勒尔曾经对一种称为硫酸双氧铀钾的荧光物质进行了研究，而小贝克勒尔则想知道在硫酸双氧铀钾的荧光辐射中是否含有X射线，结果小贝克勒尔发现了更激动人心的铀的放射性。
“放射性”这个术语是居里夫人最先提出来的，她用它来描述铀的辐射能力。居里夫人还进一步发现了第二种放射性物质——钍。在这以后，很快又有别的科学工作者作出了许多重要的发现。他们的发现证明，放射性物质的辐射不但比X射线具有更大的穿透力，而且也更强。此外，科学工作者又发现，放射性物质还会发出别种射线，这又使科学家们在原子的内部结构方面得到了一些新的发现。
居里夫人还是第一个发现放射性元素在发出射线的过程中会转变为另一种元素的人，她是在无意中发现的。有一次，居里夫人与她的丈夫为了弄清一批沥青铀矿样品中是否含有值得加以提炼的铀，他们对其中的含铀量进行了测定，但他们惊讶地发现，有几块样品的放射性甚至比纯铀的放射性还要大。这就很明显地意味着，在这些沥青铀矿石中一定还含有别的放射性元素。同时，这些未知的放射性元素一定是非常少的，因为用普通的化学分析方法不能把它们检测出来。
居里夫妇带着非常激动的心情，搞到了几吨沥青铀矿，他们在一个很小的木棚里建了一个作坊，在很原始的条件下以极大的毅力在这些很重的黑色矿石中寻找这些痕量的新元素。1898年7月，他们终于分离出极小量的黑色粉末，这些黑色粉末的放射性比同等数量的铀强400倍。
这些黑色粉末含有一种在化学性质上与碲很相似的新元素，因此，它在周期表中的位置似乎应该处在碲的下面。居里夫妇把这个元素定名为钋，以纪念居里的祖国波兰。