大学毕业后，玛丽和因发现低压电现象而在物理学界小有名气的皮埃尔·居里结为夫妇。1897年，她刚刚生下女儿伊伦，就马上选择了当时还很少有人研究的放射性作为自己的博士论文题目。
居里夫人在研究放射性的时候，发现了一个非常奇怪的现象：沥青铀矿的放射性反而比纯铀还要强。她猜想很可能在沥青铀矿中还存在着比铀的放射性还要强得多的未知元素。
这个想法一提出，立即遭到了一些人的讥笑，认为这是异想天开。性格坚毅的居里夫人没有动摇。她的丈夫皮埃尔·居里也意识到这项工作的重大意义，放下了手头的工作，投入了对新元素的寻找。
他们的条件如此简陋，一间破棚子是他们的实验室，没有排放有害气体的通风装置和必要设备。为了将不同元素分开，他们将沥青铀矿装入大桶，加入化学试剂和酸一起煮沸。居里夫人用一根几乎和她一样高的沉重铁棒不停地搅拌着这些沸腾的粘稠液体，反应中放出的烟雾刺激着她的眼睛、喉咙，这种“男子汉的工作”累得居里夫人筋疲力尽，人消瘦了，手烧伤了。
1898年7月，他们终于从矿石中分离出一种黑色粉末，它的放射性比铀强400倍，化学性质和碲很相似，居里夫人为了纪念她的祖国波兰，把这种新元素起名为钋（在拉丁文中，钋的字头和波兰的字头是一个）。
但是钋的放射性还不足以说明沥青铀矿何以有这样强烈的放射性。于是，他们继续寻找，终于在同年12月又分离出了一种新的放射性更强的元素，他们给这种新元素起名为镭，在拉丁文中，镭的原意就是放射。
居里夫妇最初得到的还不是纯的镭，因此许多化学家对是否有镭元素表示怀疑。为了得到纯的镭，并进一步弄清镭的性质，居里夫妇付出了更加艰巨的劳动。4年中，他们进行了几十万次提炼，1902年，终于从12吨沥青铀矿中得到了大约0.1克纯的氯化镭，测出了镭的原子量是225，放射性比铀强二百多万倍。
1903年，居里夫人发表了她的博士论文，获得了巴黎大学物理学博士学位，这篇论文堪称历史上最伟大的一篇博士论文。她和她的丈夫皮埃尔·居里以及贝克勒尔因发现放射性，一起共享了1903年诺贝尔物理奖。1911年，居里夫人又因发现钋和镭获诺贝尔化学奖，成为历史上惟一两次获诺贝尔奖的女科学家，也是惟一同时获得物理和化学两种诺贝尔奖的科学家。
追踪放射性之谜
铀和镭等放射性元素放出的射线是什么？它们为什么会放出射线？许多科学家纷纷投入这一研究。其中有一位后来居上的佼佼者，他就是卢瑟福。
卢瑟福出生在新西兰穷乡僻壤的一个小农家庭。他从小就表现出非凡的创造才能，把一只报废的钟修好了，还自制过一架照相机。凭着出色的才华，他连续获得三次奖学金，从高中升入大学，最后进入久负盛名的英国剑桥大学卡文迪什实验室，成为约瑟夫·汤姆孙的研究生。
放射性铀的发现，立刻引起了卢瑟福的注意。为了研究铀发出的射线的穿透本领，他用厚薄不同的铝箔进行试验，结果发现铀发出的射线不是简单的一种，而是两种。有一种穿透本领比较小，只能穿透比较薄的铝片，他把这种射线叫α射线，还有一种能穿透较厚的铝片，贯穿本领比α射线大100倍，他把这种射线称作β射线。
法国科学家维拉尔德从放射性物质发出的射线中，又发现了第三种射线，它的贯穿本领更强大，这就是γ射线。
当让放射性元素发出的射线通过强磁场时，这三种射线便分道扬镳成为三股，朝一个方向弯曲得最厉害的是β射线，与它方向相反，稍稍弯曲的是α射线，而径直穿过磁场的是γ射线。这表明α、β射线都是由带电粒子组成的，且所带电荷方向相反，γ射线是不带电的。
贝克勒尔首先证明，β射线是由高速运动的电子流组成的。α射线则要复杂得多，卢瑟福花了整整6年时间，直到1908年，才搞清α粒子实质上是氦的原子核。γ射线是一种波长比X射线还要短的电磁波。
卢瑟福是一位物理学家，为了更好研究放射性物质，他和年轻的化学家索迪结为搭档。来自两个不同学科的科学家取长补短，很快就获得了累累硕果。
在研究放射性元素钍的时候，他们发现已经提纯了的氢氧化钍放置一段时间，放射性会增强，也就是说钍变成了放射性更强的元素，他们称之为钍X，钍X也不稳定，又会变成放射性不同的另一种元素……这是什么原因呢？卢瑟福和索迪抓住这一现象不放，进行了深入研究。1902年，他们提出了元素衰变的理论，指出放射性元素是不稳定的，它不断放出射线，由母元素变成子元素，又由子元素变成孙元素……直至最后变成稳定的、没有放射性的元素为止。他们还找到了铀、钍等放射性元素的衰变系列。
元素衰变理论揭示了放射性现象的本质，打破了自古以来一直认为的原子是不可创生也不能毁灭的观念，有力地证明了一种元素的原子可以变成另一种元素的原子。
1908年，卢瑟福因发现放射性衰变和在放射化学方面的成就，获得了诺贝尔化学奖。索迪也因发现放射性同位素的成就获1921年诺贝尔化学奖。
然而，卢瑟福的更伟大的发现则是在获得诺贝尔奖以后取得的，那就是提出了原子的有核模型。
原子结构的行星模型
电子的发现，放射性现象的发现都启示人们，原子内部一定有十分复杂的结构。
那么，原子内部的结构是什么样的呢？物理学家们提出了许多有关原子结构的模型，其中最有名的就是汤姆孙的果子面包模型。
汤姆孙认为，原子是由一个带正电荷的实体组成的，带负电荷的电子有规则地镶嵌在上边，就像葡萄干镶在面包上一样。电子一方面受到正电荷的吸引，一方面受到它们之间相互排斥的作用，而维持着平衡。这个模型能较好地解释许多化学现象。
开始卢瑟福也赞同这种无核模型。为了检验原子的结构，卢瑟福与他的两名助手盖革、马斯顿做了一个历史上非常有名的实验，那就是α粒子散射实验。
他们把一个放射源放在开有小孔的铅盒中，这样从这个小孔中就会射出一束很细的α粒子流，然后，让这束粒子流打在一块很薄的金箔上，金箔的后边放着一块硫化锌荧光屏，穿过金箔的α粒子打在上边会出现一个闪耀，因此用它可以记录α粒子的轨迹。
按照汤姆孙的模型，α粒子穿过金箔时应当发生小角度的散射，可是实验结果完全不是这样，大多数α粒子都畅通无阻地通过了金箔，径直打在荧光屏上；只有少数粒子发生了散射，而且都是大角度散射；个别的α粒子甚至被反弹了回来。
卢瑟福惊奇万分，他形容当时感到“就好像对着一张纸放了一发炮弹，而炮弹却被反弹回来打在自己身上那样难以置信”。卢瑟福为此苦苦思索了几个星期，从实验结果只能得出这样的结论，那就是原子内部有很大的空隙，因而绝大部分α粒子都能径直通过；少数α粒子发生大角度偏转，甚至被反弹回来，一定是碰到了质量远大于α粒子的、带正电荷的极小粒子的结果。因为α粒子是带正电的，同种电荷的粒子相互排斥。他通过精密实验和理论计算，得出原子的半径在100皮米左右，而原子核的半径为10-2～10-3皮米，也就是说原子核的半径只有原子半径的十万分之一到万分之一。
在大量实验的基础上，1911年卢瑟福提出了原子行星模型，那就是原子中有一个极小的核，它几乎集中了原子的全部质量和所有正电荷，原子核带有多少正电荷，核外就有多少个电子，它们就像太阳系中的行星绕太阳旋转一样绕着原子核运动。
卢瑟福的行星模型很好地解释了α粒子散射实验以及一系列化学、物理现象，因此很快为人们所接受。不过，卢瑟福的模型也不是尽善尽美的，后来，他的学生、著名的丹麦物理学家玻尔，应用量子力学，使这一模型变得更加完善了。
原子核的结构
原子是由电子和原子核组成的，那么原子核还可不可以再分呢？它又是由什么组成的呢？
既然一个电子带有一份电荷，人们自然想到，原子核很可能也是由带一份正电荷的粒子构成的，氢的原子核是最轻的原子核，它只带有一份正电荷，是否原子核就是由它们组成的呢？
1919年，卢瑟福用α粒子作炮弹，去轰击氮的原子核，结果发现，氮原子俘获了α粒子变成了氧原子，并且产生了一种新的射程很长、质量比α粒子更小，带一个正电荷的粒子，研究证明，这种粒子就是氢的原子核，人们把它称作质子。
这是在人类历史上第一次用人工方法实现了核反应，把一种元素变成了另一种元素，实现了炼金术士们“点石成金”的梦想，同时，也证实了原子核中存在着质子。
在卢瑟福之后，人们用α粒子轰击硼、氟、钠等轻原子，也都发生类似的核反应，放出一个质子。而周期表上所有元素的原子核的质量大体上都为质子的整倍数，因此，有人猜想原子核是由带正电的质子组成的。
但是这种猜想有着明显的矛盾，除了氢元素之外，所有元素原子核中的电荷数目并不等于它们的质量，例如氦的原子核质量是氢的4倍，可是只带有2个正电荷。于是有人提出，原子核是由质子和电子组成的，电子中和了一部分质子的电荷，使剩下的正电荷正好与核外电子数相等。但是这一假说也碰到了困难，它不能解释原子核自旋等现象。
科学家们在思索着，寻找着。
1920年，卢瑟福在圣诞节给儿童讲科学知识时提出了一个大胆的假说，原子中有带负电的电子，带正电的质子，为什么不可以有不带电的中性粒子呢？他还预言了这种中性粒子的性质——它能很容易地穿过物质。
大多数人对卢瑟福的预言抱着怀疑态度，有一个人，就是卢瑟福的学生查德威克却对此坚信不疑。他立即着手进行种种试验来捕捉这种中性粒子。但是10年过去了，这种中性粒子还是毫无踪影。
1930年，德国物理学家玻特和贝克尔在用α粒子轰击锂、铍等轻元素时，发现了一种贯穿力很强的辐射线，能穿过2厘米的铅板，他们认为这是γ射线。
1931年，法国物理学家约里奥·居里夫妇，也即居里夫人的女儿与女婿，对这一实验做了进一步研究，发现当这种射线射入含大量氢原子的物质石蜡时，会放出质子。实际上他们已经走到了发现中子的大门口，但由于囿于前人的研究成果，认为只有γ射线才是中性的，一个重大发现令人惋惜地失之交臂。
查德威克看到了约里奥·居里夫妇的研究报告，立即意识到这就是他寻找已久的中性粒子，他分析γ射线要想打出质子必需有高到难以想象的能量才行，只有质量和质子相近的中性粒子才能把质子轰击出来。他立即投入了紧张实验，终于证明这种不带电的中性粒子质量和质子十分相近，中子终于被发现了。
查德威克因发现中子，1935年获得了诺贝尔物理奖。
中子被发现后，德国物理学家海森堡和苏联物理学家伊凡宁科都提出，原子核是由中子和质子组成的。这种模型圆满地解释了原子质量与原子序数的关系、同位素现象及原子核的自旋现象，很快得到了人们的公认。
骇人的原子能
早在1901年，居里夫妇就发现，含有镭的放射性物质，温度比周围环境要高，这表明，镭在衰变的过程中放出了能量。居里还对这种能量进行了测定，一克镭一小时释放的能量为136卡。初看起来，这个能量不大，但是它能日复一日、年复一年地释放，镭的半衰期是1617年，如果把一克镭一万年放出的热量加在一起，将是一克木柴燃烧时放出热量的60万倍，可见这个能量之大！
卢瑟福和索迪在研究放射性元素衰变时，也注意到了放射性发生时伴随着能量的产生，他们指出，这种能量来自原子的内部，不仅放射性元素，普通元素的原子中也蕴藏着巨大的能量，只不过放射性元素内部的能量缓慢地泄漏出来。
小小的原子中怎么可能会蕴藏着这样巨大的能量呢？它们是从哪里来的？这个问题不久就在爱因斯坦提出的质能转换公式中找到了答案。
1905年，爱因斯坦在研究相对论时提出了著名的质能转换公式：E=mc2，其中E表示能量，m表示质量，c代表光速，为3×1010厘米/秒。
这个公式告诉人们，质量和能量是可以相互转换的，质量是能量的密集形式，一点点质量就可以转换为巨大的能量，因为光速的平方是一个很大很大的数值。这样我们就不难理解原子中为什么会蕴藏有那样大的能量了。
事实上，在我们今天利用核能的核裂变和核聚变反应中，都伴随着质量的亏损，而在化学反应中，质量亏损小到难以测定出来，也就是为什么核反应产生的能量比化学反应大得多的原因。
爱因斯坦的质能公式为核能的开发利用提供了理论依据，然而怎样让核能为人们所利用却不是一件轻而易举的事。
原子的质量集中在核上，因此要获得其中的能量就必须打开原子核。卢瑟福第一个用α粒子为炮弹去轰击原子核，实现了人工核反应。发现质子后，科学家们又用质子作为炮弹去轰击原子核。1930年，美国科学家劳伦斯发明了“原子大炮”——回旋加速器，可以把质子等炮弹加速得能量更大，从而对原子核的轰击更加强有力。1932年，查德威克发现了中子，它不带电荷，更容易打进原子核，因而为人们轰击原子核提供了一个更加有力的炮弹。