早在19世纪30年代，法拉第就发现真空中放电会发生辉光现象。随着真空技术的发展，物理学家进一步发现，真空管内的金属电极在通电时其阴极会发出某种射线，这种射线受磁场影响，具有能量，被称为阴极射线。
1895年11月8日晚，德国物理学家伦琴在做阴极射线实验时，意外地发现了一种新的射线。它具有极强的穿透力，但因不了解其本性，伦琴权且称它为X射线。由于X射线可以穿透皮肉透视骨骼，在医疗上很有用处，因此，这个发现一公布就引起了很大的轰动。尽管新发现的用途和影响很大，但物理学家对该神秘射线的本性一下子还是搞不清楚。伦琴由于发现X射线而成为世界上第一个荣获诺贝尔物理学奖（1901年颁发）的人。
有关X射线的消息引起了法国物理学家贝克勒尔的注意。他出生在一个研究荧光的世家，因此马上联想到X射线是否与荧光有关。但多次实验表明，发荧光的物质并不产生X射线。后来，他又用一种铀盐做实验，因为铀盐也属于荧光物质，在太阳下曝晒后会发出荧光。实验结果表明，这种荧光物质确实可以像X射线那样使用黑纸包着的照相底片感光。事有凑巧，接下来的几天都是阴天，铀盐无法在阳光底下曝晒发出荧光，但奇怪的是，它照样能使底片感光。这就说明使底片感光的是一种射线，而与荧光无关。进一步研究之后，贝克勒尔得出结论，这种新射线是从铀原子本身发出的，不受外界条件的影响。
铀盐能够发出新射线的发现没有像X射线那样轰动一时，对它的研究也没有及时地展开，这可能是因为，它不像X射线那样具有医学价值。再说得到铀盐也不容易，而人们当时普遍认为，只有铀盐才具有这种特殊的放射能力。
将放射性的研究推向一个新高度的是波兰籍女科学家居里夫人。居里夫人原名玛丽·斯克罗多夫斯卡，1867年11月7日生于波兰华沙一个教师家庭。1891年，她考入巴黎索邦大学攻读物理学，在此期间遇上了著名的法国实验物理学家皮埃尔·居里，并于1895年结婚。贝克勒尔新射线的发现使她意识到该问题的重要性，当即将“放射性物质的研究”作为博士论文题目。“放射性”一词就是她首先使用的。
1898年4月12日，居里夫人宣布钍像铀一样具有放射性，从而表明放射性绝不只是某个元素独有的现象。她还指出，沥青铀矿和铜铀云母的放射性比根据铀的含量计算出的要强得多，说明这些矿石里还存在着放射性更强的元素。为了寻找这些新的元素，居里夫妇付出了令人难以置信的艰苦劳动。在一座极为简陋的实验室里，他们将奥地利政府提供的几吨废铀渣进行反复的化学分离和物理测定。1898年7月18日，他们先发现了比铀的放射性强400倍的新物质，为纪念居里夫人的祖国波兰，命名为“钋”。当年12月26日，他们终于发现了另一种放射性更强的新物质镭，其放射性大约是铀的900倍，次年又定为7500倍，不久又发现为10万倍。这一发现在物理学界引起了轰动，但化学家们还持怀疑态度。为了确定镭的原子量，居里夫妇又花了3年时间，提炼出了0.12克纯镭，测定出镭的原子量为225，放射性比铀强200多万倍。
居里夫人的博士论文直到1903年才最终完成。就在这一年她与丈夫及贝克勒尔共同分享了诺贝尔物理学奖。可是，他们夫妇太累了，没有力气亲自去领奖。在过去的4年多中，居里夫人体重减了10千克，健康受到严重的损害。1911年，她因发现两种新元素而再度获诺贝尔奖，这一次是化学奖。化学家们终于承认了居里夫人的工作。她成了第一位两次获诺贝尔奖殊荣的人物。
巨大的荣誉并没有改变她一贯的平易作风。第一次世界大战期间，她亲自驾驶一辆战地救护车，做人道主义救护工作。由于她在放射性方面的研究，这一领域呈现出新的热闹景象。不少新的放射性元素被发现，放射性在医学上可能的应用也被开发出来。但是，由于长期受放射线的照射，居里夫人不幸患上了白血病，1934年7月4日在法国去世。爱因斯坦对居里夫人的高尚品德评价极高，他在悼念居里夫人时这样说道：“居里夫人的品德力量和热忱，哪怕只有一小部分存在于欧洲知识分子中间，欧洲就会面临一个比较光明的未来。”
X射线不仅导致了放射性物质的发现，也促进了电子的发现。阴极射线的本性问题在物理学界争论已久，德国物理学家大多认为是一种以太波，英国人则认为是一种带电粒子流。1897年，英国物理学家J.J.汤姆逊用实验证明了，阴极射线在电场和磁场作用下均可发生偏转，其偏转方式与带负电粒子相同，这就证明了阴极射线确实是一种带负电的粒子流。汤姆逊测出了这种粒子流的质量与电荷的比，其值只有氢离子的千分之一。1898年，汤姆逊进一步证明了该粒子流所带电荷与氢离子属同一量级，这就表明，其质量只有氢离子的千分之一。汤姆逊将之命名为“微粒”，后来又称“电子”，意即它是电荷的最小单位。汤姆逊指出，它比原子更小，是一切化学原子的共同组分。
X射线以及随之而来的放射性与电子的发现，给新世纪的人们打开了一个新的奇妙的微观世界。世纪之交的另一革命性理论量子力学，就是在原子物理学的基础上建立起来的。
