许多年轻的科学家被他们的研究吸引了。在1903年以后的几年，人们不断地用各种方法从铀、钍、锕等放射性元素中分离出一种又一种“新”的放射性元素。到1907年，被分离出来并加以研究过的放射性元素已近30种，多到周期表中没有可容纳它们的空位。这就产生了矛盾，怀疑周期表对放射性元素是否适用，另外人们对这些新发现的放射性元素进行对比研究后，发现有些放射性不同的元素化学性质则完全一样。例如钍与由它蜕变生成的放射钍，尽管放射性显著不同，可是将它们混合后，却难以用化学方法使它们分离，化学性质则完全一样。这类事实积累得愈来愈多。索迪根据这类事实，于1910年提出了著名的同位素假说：存在不同原子量和放射性，但其他物理、化学性质完全一样的化学元素变种，这些变种应该处在周期表的同一位置上，因而命名为同位素。接着索迪根据原子蜕变时放出射线相当于分裂出一个氦的正离子，放出射线相当于放出一个电子，从而提出了放射性元素蜕变的位移规则。放射性元素在进行蜕变后，在周期表上向前（即向左）移两位，即原子序数减2，原子量减4。发生蜕变后，向后移一位，即原子序数增1，原子量不变。德国化学家法扬斯和英国化学家罗素也独立地发现了这一位移规则。
依据同位素假说，卢瑟福和索迪把天然放射性元素归纳为三个放射系列：铀-镭系、钍系、锕系。这不仅解决了数目众多的放射性“新”元素在周期表中的位置问题，而且也说明了它们之间的变化关系。根据位移规则推论，三个放射系列的最终产物都是铅，但各系列产生的铅的原子量却不一样。为了验证同位素假说和位移规则的准确性，1914年美国化学家里查兹完成了此项工作。1919年，英国化学家阿斯顿研制成质谱仪，使人们对同位素有了更清晰的认识。
第一次世界大战期间，索迪在格拉斯哥大学任阿伯丁讲座教授。这期间，除了担负一部分战时工作外，他对放射性元素的位移规则进行了深入的研究。1919年，索迪应聘担任牛津大学的化学教授，在这个岗位上，他勤恳地耕耘了17年。在继续从事放射性化学研究的同时，他几乎把大部分精力都投入了改进化学教学和实现实验室的改造。他的晚年似乎在化学研究中没有再做出突出的成就，据后人分析，也可能是因为他只注重个人努力，只身从事实验和研究，显然不适合现代科学研究的要求，由于现代科学研究的深度和广度，大量的研究工作从分散的单纯个人活动转化为社会化的集体活动。在前期的研究中，有像卢瑟福、拉姆塞这样的名家与他合作；在后期研究中，他却没有一个研究群体，在他周围也没有聚集起一些优秀的人才。另外一个原因是，在第一次世界大战中，与索迪工作有往来的另一个青年化学家莫斯莱，投笔从戎，战死在战场。一个已显露出超人才华的科学家仅27岁就过早地去世了，给索迪和整个英国科学界带来极大的悲痛和愤慨。对此索迪深感科学的进步与社会很不协调，为什么科学的进步不能阻止战争，反而加剧了战争给人们造成的危害？从此索迪关心起科学与社会的关系等问题，提出科学促进文明的口号，积极参加各种有关的社会活动，成为一个知名的社会活动家。
他的研究领域使他特别关心放射性及其能量的和平利用，他提出应当控制放射性即原子能这个大能源库，使它成为人们的又一个太阳。他十分重视科学的社会功能，强调科学家要真正担负起自己的社会职责。1956年9月22日，索迪在英国的伯莱顿去世了，享年79岁。由于他对现代化学和物理学发展的卓越贡献，他的名字将永远和同位素联系在一起。
伦琴于1896年发现了X射线。贝克勒尔同年也对X光管的玻璃发生荧光现象进行研究，当他用硫酸铀酰钾晶体作荧光粉时，发现用黑纸包裹的感光板受不发光也不放电的铀盐作用而感光，其中以金属铀的感光作用最强。贝克勒尔称之为铀光，从而发现了放射性现象。
1898年，居里夫妇在研究放射现象的过程中，创制了测量放射性的专门仪器。通过测量各种物质的放射性，他们发现有些铀矿物及钍矿物的放射性比纯铀或纯钍强，认为在这些矿物中含有量很少、但放射性很强的物质。他们应用化学分析分离原理结合放射性测量的新工作方法，相继发现钋和镭，开创了一门新的学科——放射化学。
卢瑟福和索迪于1908年确定了每种物质的放射性按指数关系而衰变的规律。1910年索迪、法扬斯同时发现放射性元素位移规律，提出同位素的概念。1912年赫维西等用20种化学方法试图从铅中分离镭D（即铅210），未获成功，继而提出以镭D指示铅，成功地研究了铅在多种化学反应中的行为，从而创立了放射性示踪原子法，应用放射化学开始得到发展。
1934年，小居里夫妇用钋的α粒子轰击铝，并利用化学原理及方法获得放射性磷30，发明了人工放射性。这是人类第一次利用外加影响引起原子核的变化而产生放射性，成为20世纪最重要的发明之一。同年，齐拉特等发现原子核在俘获中子生成放射性新核素时，由于反冲效应导致一系列化学变化，后来发展为热原子化学。1938年，哈恩等在研究铀受中子辐照后的产物时，用化学方法发现和证明了铀核裂变现象。为人类开发利用核能开辟了道路，这是放射化学对核科学技术发展的巨大贡献。1940年麦克米伦等发现超铀元素镎，西博格等发现钚，1944年提出锕系元素理论。1942年费米核武器等建成第一座核反应堆，第一次实现受控链式裂变核反应，标志着人类进入利用核能的新时代，核科学技术从此得到迅速发展。
随着核武器、核电站、核舰艇以及其他核动力装置的研制成功，使核燃料的生产和回收、裂变产物的分离等放射化学工作得到巨大发展，促进了放射性核素性质的深入研究及其在工农业、科学研究及医药卫生等领域中的广泛应用，丰富了放射化学的内容，使它发展成为一门具有独特研究目的和方法的学科。
中国于1924年开始对放射性展开研究，居里夫人的中国学生郑大章，从巴黎镭研究所居里实验室为祖国第一次带回了放射化学，在当时的国立北平研究院建立了中国的镭学研究所。郑大章等人研究镤及铀系放射化学，初步取得了一些成果。1937年由于日本军国主义侵占华北，北平研究院被迫南迁，颠沛流离，放射化学的研究工作遂告中断。1949年中华人民共和国成立，中国的放射化学取得了突出成就。从20世纪50年代中期开始，随着核能事业的发展，放射化学作为一门基础学科得到了相应的发展。几十年来，特别是围绕核燃料的生产和回收、放射性核素的制备和应用、锕系元素化学、核化学、放射性废物的处理及其综合利用、放射分析化学以及辐射化学等领域都取得了丰硕成果。1964年10月原子弹和1967年6月氢弹的试爆成功，反映了中国核科学技术达到了较高的水平。
卡麦隆在1910年提出放射化学。他指出放射化学的任务是研究放射性元素及其衰变产物的化学性质和属性，这一定义反映了放射化学发展初期的研究对象和内容。人工放射性和原子核裂变的发现、反应堆和高能加速器的建立等，对放射化学的发展有深远的影响，使放射化学的内容不断充实和发展。近代放射化学主要研究天然放射性元素和人工放射性元素的化学性质和核性质，其提取及制备、纯化的化学过程和工艺，重点是核燃料铀、钚、钍，超铀元素及裂变元素；研究原子核的性质、结构、核反应和核衰变的规律，以及这些研究成果的应用；研究放射性物质的分离、分析以及核技术在分析化学中的应用；研究放射性核素及其标记化合物和辐射源的制备，及其在工业、农业、科学研究、医学等领域中的应用。重点是用反应堆和加速器生产各种高比活度或无载体的放射性核素和辐射源。