不久，他母亲带着对他的祝福与世长辞。门捷列夫为了不辜负母亲的厚望而发奋学习。在大学期间，他就有多方面的兴趣，物理、数学、技术、经济学、哲学和艺术。并为此常常和同学们进行争论，这些兴趣和爱好发展了门捷列夫的想象力，使他善于吸取人家的长处。这为他复盖前门捷列夫周期表的所有优势，能够在开始研究单独族的时候，在自己的想象中把握他所追求的总体——所有族。即把平常的摆牌阵与编制表格的任务之间作类比，就是他丰富想象力的结果。他受教于“俄罗斯化学之祖”伏斯克利斯基教授，物理学家楞次（Lenz.H.F.E.1804-1865年）院士以及一些著名的数学家、矿物学家、动物学家、天文学家之下，使得他有良好的理论基础，广博的知识面，严谨的科学作风以及敢于提出和解决新问题的勇敢于胆略。
他的获金质奖的毕业论文《论结晶现象与结晶形态及其组成的其他关系》就已把不同元素比较联系起来了。大学毕业后，他留在彼得堡大学任教，被破格任命为讲师，那时他才22岁。1865年，该校授予他科学博士学位，且聘为化学教授。
在工作后，门捷列夫没有参与热门的化学成分研究工作，而是去探索化学中的“哲学原理”，去寻找化合物中的内在联系。他曾说过：“我在那时求学时代，已经感到有一种把元素的原子量与其特征联系起来的广泛概括。”他在研究了前人元素分类法之后，对自己的工作目的曾这样写道：“在相似元素的对比中，依我看，包含着一个能使我的体系有别于我的先行者的体系的基本特征。除了少数例外的情况，我与我的先行者一样，也采纳了那些相似元素的族，但我的目的是要研究这些族的相互关系中的规律性。这样我得出上述的一般原则，这个原则适用于所有元素并能包括过去所发表的同属，并且还能产生过去不可能产生的后果。”可见他的科学信念如此坚定，目的如此明确。门捷列夫对那些认为他的发现是偶然而得，视为运气所至的提法也很恼火，他曾回答一个记者的问题时说：“这个问题我大致考虑了20年，而您却认为：坐着不动，5个戈比一行，5个戈比一行地写着，突然就成了！事情并不是这样！”
门捷列夫周期表的出现在19世纪末叶，没有那么一个历史环境，时代背景，即使出现了门捷列夫这个人也不会出现门捷列夫周期律，或者就只会再有一个元素的分类而已，自然界普遍联系的规律发现就得再拖延下去。再则，如果门捷列夫这样认识的主体没有几十年的研究工作，没有预感到元素原子量与其属性有一种联系，那么即使列出了一些元素的原子量，也会对周期律的出现视而不见，有机不遇的。这两方面造就了伟大发现的一天，这一天不是门捷列夫对机遇盼望或猜想的结果，因为在其后面是一条扎扎实实的漫长的、艰巨的研究之路，知识和观念是这条道路的铺路石，它们在量上的积累才产生了2月17日这飞跃的一天。
那么由此是不是完全否认了2月17日所发生的那些或然、偶然的东西呢？根据2月17日这天门捷列夫的活动情况和思想线路看远非如此。在表3完成以后，门捷列夫可能疲倦地休息了一会，在梦中探索如何更简便地表示已经发现的规律，于是才对草表4的不规则处作了更改。这梦中的创造性思维，对表4的完成，对元素的原子量随性质递变的规律阐述，无疑也起了不可忽视的作用，完成表2以后，突然联想到用化学牌阵的方法，寻求到了那些研究甚少而又难于安排的元素的位置，把他前面所得的规律推广到所有已知元素上，从而完成了周期表的雏形表3。
“牌阵”方法对他完成元素体系起了重大作用。这些偶然因素，在科学发现的既定方向上起了重大作用。如果仍然坚持“偶然性是科学的敌人”，那显然是错误的。“被断定为必然的东西，是纯粹的偶然性构成的”，这在门氏周期律的发现中得以证明。
门捷列夫周期律的发现是偶然性与必然性巧妙、有机结合在一起的结晶。
门捷列夫是一个作出重大贡献的化学家，但到了晚年他从革新转入保守。他经历了科学的原子－分子学说在19世纪确立的过程，道尔顿的一些基本观念牢固地印在他的思想中。而对电子和放射性已被发现的客观事实，他在1902年发表的小册子《从化学观点来了解世界的尝试》中，仍否认电子的存在和原子的复杂性，拒不接受元素可以衰变、原子可分等新观念。并强调“关于元素不能转化的观念特别重要”，“是整个世界观的基础”，是元素周期律得以成立的前提。直到他去世前一年（1906年），还在他的著作《化学原理》最后一版中，表示了对元素可变这些新观点的怀疑。但事实上正是以电子的发现、原子的可分性和元素转化的可能性为根据发展起来的原子结构学说，才是现代周期律的真实基础，本章第四节和最后一节我们将阐明这一点。
原子核和原子有核结构的发现
电子发现以后，人们普遍认识到电子是一切元素的原子的基本组成部分。但通常情况下原子是呈电中性的，这表明原子中还有与电子的电荷等量的正电荷，所以，研究原子的结构首先要解决原子中正负电荷怎样分布的问题。从1901年起，各国科学家提出各种不同的原子模型。
一、汤姆逊的原子模型
第一个比较有影响的原子模型是Ｊ．Ｊ．汤姆逊于1904年提出的“电子浸浮于均匀正电球”中的模型。他设想，原子中正电荷以均匀的密度连续地分布在整个原子中，原子中的电子则在正电荷与电子间的作用力以及电子与电子间的斥力的作用下浮游在球内。这种模型被俗称为“葡萄干布丁模型”。汤姆逊还认为，不超过某一数目的电子将对称地组成一个稳定的环或球壳；当电子的数目超过一定值时，多余电子组成新的壳层，随着电子的增多将造成结构上的周期性。因此他设想，元素性质的周期变化或许可用这种电子分布的壳层结构作出解释。汤姆逊的原子模型很快地被进一步的实验所否定，它不能解释α射线的大角度散射现象。
二、α粒子散射实验
卢瑟福从1904年到1906年6月，做了许多α射线通过不同厚度的空气、云母片和金属箔（如铝箔）的实验。英国物理学家Ｗ．Ｈ．布拉格（Bragg，W.H.1862-1942年）在1904-1905年也做了这样的实验。他们发现，在此实验中α射线速度减慢，而且径迹偏斜了（即发生散射现象），例如，通过云母的某些α射线，从它们原来的途径约偏斜2°，发生了小角度散射。1906年冬，卢瑟福还认识到α粒子在某一临界速度以上时能打入原子内部，由它的散射和所引起的原子内电场的反应可以探索原子内部结构。而且他还预见到可能会出现较大角度的散射。
1907-1908年间，在卢瑟福指导下盖革也进行了α粒子散射实验研究，发现α粒子射入金属箔时散射角与材料的厚度和原子量有关；又发现大多数粒子散射角度很小，但有少数α粒子偏角很大。卢瑟福敏锐地认识到精确地观察大角度α粒子散射对于了解原子内部的电场和结构非常重要。在卢瑟福的指导下，盖革和青年研究生马斯顿（Marsden，E.1889-？）于1909年3月用镭作放射源，进行α粒子穿射金属箔（先后用了金箔和铂箔）的实验，精心测量数量极少的大角度散射粒子。结果发现约有八千分之一的入射α粒子发生大角度偏转，偏转角平均为90°，其中有的甚至反弹回来。α粒子的这种超过90°的反常的散射现象，使卢瑟福十分惊讶，虽然他事前对大角度散射做过一些推测。多年以后，他在1925年的一次讲演中曾讲到1909年3月这次实验后的心情。他说：“如果将一张金叶放在一束α射线的径迹上，某些射线进入金的原子并被散射，那只是所期望的。但是，一种明显而未料相想到的观察是一些快速的α粒子的速度和能量之大，那是一张极其惊人的结果……正好像一个炮手将一颗炮弹射在一张纸上，而由于某种其他原因弹头再弹回来一样”。在卢瑟福的指导下，盖革和马斯顿对实验进行总结并写成论文，交英国皇家学会发表。
三、卢瑟福发现原子核，建立有核原子模型
盖革和马斯顿由于对自己的发现的意义了解不深，论文发表后又回到小角度散射实验方面。卢瑟福则不同，他1909年讲学时谈到大角度散射时说：“这一结果对于了解原子周围或原子内部的电场强度，带来了巨大光明。”又说：“原子处于一个强电场中的结论是不可避免的，否则α粒子通过像一个分子直径这样小的距离而改变方向是不可能的。”此后一二年内，卢瑟福以他敏锐的直觉和深邃的洞察力，紧紧抓住这个容易被人们忽略的反常现象，从原子内存在强电场的观点，探索α粒子大角度散射的原因，从而发现了原子的有核结构。