居里夫人首先深入研究铀的放射特性。实验工作是在一间破旧的木棚里进行的，潮湿而冰冷，用极为可怜的工具，试验铀的特性。经过几个星期的实验，居里夫人提出了令人惊奇不已的结论：铀的辐射强度正比于所用的数量，不受铀与其他元素的影响；而这类辐射也不受光和温度变化的左右；它们与人们所知的其他任何东西不同，也没有东西会影响它们。
居里夫人立即提出了一个问题：是否还有别的元素也具有这种性质。于是，她不眠不休地、系统地研究和试验当时已知的各种元素和化合物。1898年，她再度公布了一个惊人的发现：“钍”也具有铀那种光线。建议把这种能力叫做“放射性”。
居里夫人在对铀和钍的混合物进行研究时，观察到有些铀钍混合物的辐射强度比其中铀和钍的含量所应发射的还要强得多。那么，这种特别强大的射线又从何而来呢？一定还有一种未知的新元素。比埃尔·居里立刻意识到这一研究的重要性，放下自己正从事的晶体的研究，和玛丽一起投入寻找这种新元素的艰巨的化学分析工作。他们希望从沥青铀矿石中把新元素分离开来，但这种矿石非常昂贵。一吨沥青铀矿石的价值根本不是居里夫妇能够买得起的。他们想到既然不同于铀，那可从已提炼出铀的矿渣中找到，而这种下脚料几乎一文不值。于是，他们就成吨地订购这种“垃圾”，运到他们的木头房子里。他们夫妻俩一铲一铲地往铁炉里送，毒烟呛得他们既咳嗽又喘气。1898年7月，他们终于发现了一种新的放射性元素。为了纪念玛丽的祖国波兰，他们把这新发现的元素取名叫做“钋”。钋的放射性比铀强400倍。
在这年的年底，他们又发现了放射性比铀强200万倍的镭。这个消息再次轰动了世界，但也有人提出了怀疑。为了证实镭的存在，他们在十分简陋和艰苦的条件下，用“分步结晶法”经过4年的努力，于1902年才从几吨的矿石中提炼出0．1克浓缩的镭化合物——氯化镭，并首次测得镭的原子量为225(现在已知为226)，从而证实了镭的存在。这时才打消了化学家、物理学家们的疑问。
为了表彰贝克勒耳和居里夫妇在发现放射性方面的贡献，1903年，他们三人分享了该年度的诺贝尔物理学奖。
因为镭的发现，使居里夫妇名扬四海，他们的科学事业也正处于蓬勃上升的时期，但谁也没有想到，一个人生的巨大悲剧正在偷偷地向他们袭来。1906年4月16日，阴雨连绵，居里撑着雨伞，慢慢地在拥挤的人群中走着。街道很窄，路很滑。居里在一辆出租马车后面横穿马路，没想到，后面又冲来一辆马车，居里被碰滑倒了，马车轮轧碎了他的头颅。
居里夫人失去了她心爱的丈夫，失去了科学征途中不可分离的战友。38岁的居里夫人进入了一生中最悲痛的日子。但是，她强忍悲痛，以超人的毅力，接替了她丈夫的教授工作，并领导实验室的研究。1908年，她进一步提纯了氯化镭，精确测定出镭的原子量是226．45。
1910年9月在比利时布鲁塞尔召开的放射学大会上，她建议将镭等放射性元素应用于医学事业，并以居里的名字命名放射单位。
不久，世界上第一台镭辐射仪诞生，并首先用来治疗癌症。20世纪以来，癌症日益猖獗，放射性治疗使成千上万的癌症患者生命得到延续。为此，1911年瑞典科学院再度授予居里夫人诺贝尔化学奖，表彰她为放射性元素化学做出新贡献。她成了世界上第一个两次荣获诺贝尔奖的人。
居里夫人是一位伟大的科学家，同时也是一个人格高尚、心地无私的人。当镭可治疗癌的效用被证明后，有人建议她把提炼镭的过程申请专利权。也有大企业上门要求独家买断提炼镭的技术。如果这样，居里夫人可以毫不费力地成为百万富翁。但居里夫人都拒绝了。她毫无保留地把提取镭的技术公布于众。她说：“我们发现了镭，但不是创造了它，因此它不属于我们个人，它是全人类的财产。”“镭是一种慈善的工具，它是属于全世界的。”而对成功后铺天盖地而来的各种荣誉，居里夫人始终淡然处之。爱因斯坦曾这样称赞这位世界上最谦逊的伟大女性：“在所有的世界著名人物中，玛丽居里是唯一没有被盛名宠坏的人。”
居里夫人因长期研究放射性物质，受到了放射性的严重伤害，得了白血病，于1934年7月4日逝世。其实，最早研究放射性的贝克勒耳，也是由于受到放射性的伤害而献出宝贵生命的，死时年仅56岁。可以说，居里夫人和贝克勒耳都成了放射性事业的殉职者。
后来，居里夫人的女儿伊雷娜和女婿约里奥·居里继承了居里夫人的事业，并取得了巨大的成就，于1935年夫妇两人一起荣获诺贝尔奖。居里一家先后三次五人获得诺贝尔奖，这在诺贝尔奖史上一直传为佳话。
放射性物质的发现，打破了原子不可再分的陈旧观念，证明原子不是组成单质的最小单位，它还可以再分(放出射线)。正如著名物理学家劳厄指出：“几乎没有任何东西像放射性那样对原子概念的变化有那么大的贡献。”
汤姆孙与电子的发现
电子的发现也是研究阴极射线的结果。关于阴极射线的本质，一直存在着两种看法：一种认为是以太波，一种认为是带电粒子流。正是这两种意见的长期争论和不断研究，促成了英国物理学家汤姆孙在19世纪末发现了电子。
1856年，汤姆孙出生于英国的曼彻斯特。父亲原先靠摆书摊养家糊口，后经奋斗成了著名的书商。他从自己的经历中深知没有知识的苦衷，因此十分重视对子女的文化教育，特地请家庭教师指导子女的学业。由于这一缘故，汤姆孙从小就打下了坚实的学习基础。14岁进入曼彻斯特大学，毕业时获得了奖学金。1876年，20岁的汤姆孙被保送到剑桥大学三一学院深造，成为知名教授路兹的得意门生。大学毕业后，他留在著名的卡文迪许实验室工作。27岁被选为皇家物理学会会员。1884年，28岁的汤姆孙接替瑞利担任卡文迪许实验室主任，在该室工作长达42个春秋。
汤姆孙少年英俊，意气风发，曾吸引不少名家闺秀，但他一心扑在科学事业上，无暇他顾。吉德勋爵夫妇的掌上明珠露丝小姐，早在剑桥上学时就爱上了汤姆孙，等了多年不见回音，就提笔给他写了情书：“现在，你是年轻的皇家学会会员，最崇高的卡文迪许教授。亲爱的，我们该结婚了吧？”汤姆孙壮志未酬是不愿结婚的，他回信安慰心爱的人说：“再等一等，等我获得亚当斯物理学奖时咱们再结婚，那样，你不会觉得更光柴、更幸福吗？”1890年元旦，汤姆孙获得了亚当斯物理奖。获奖的第二天，34岁的汤姆孙怀着胜利与幸福的心情同露丝小姐结为百年之好。国王和王后也光临他们的结婚典礼，他们的姻缘一时传为剑桥大学的美谈。
就在结婚的这一年，汤姆孙开始了对阴极射线的研究。他在一个15米长的真空管内，用旋转镜测时间差的方法测量阴极射线在低压气体中的传播速度，得到的速度远小于光速。
根据速度，他认为把阴极射线看作电磁波是没有道理的。为了进一步证明阴极射线是粒子流，并查明它的物理性质，汤姆孙完成了一系列阴极射线的实验。
首先他测定阴极射线所带电荷的性质。通过实验，他发现阴极射线与负电荷在磁场和电场作用下遵循同样的路径，因此，它是由带负电荷的粒子组成。
接着他由阴极射线在电场与磁场中的偏转来测定带电微粒的荷质比。使他惊奇的是，通过计算求出的荷质比，比最轻的氢原子的荷质比要大得多，这说明这种粒子的质量比氢原子的质量要小得多，前者大约是后者的1/1840。他借用一位前辈物理学家斯托内曾用过的名词，把这种粒子称为“电子”。
电子的发现再一次否定了原子不可分的观念。正如汤姆孙所指出的，以前认为不可再分原子，现在已经由于有很小的粒子从里面跳出来而被分开了。
电子的发现，在物理学史上有着重要的意义。因此，汤姆孙获得了1906年的诺贝尔物理学奖。
汤姆孙毕生从事科学研究工作，除了发现电子外，还取得过许多重大成就。1908年被封为勋爵。1918年任英国皇家学会主席。
1940年8月30日，汤姆孙以84岁高龄去世，葬于成斯敏斯特教堂公墓的中央，那里安放着牛顿，达尔文、开尔文等伟大科学家的骸骨。
x射线、放射性、电子三大发现后，原子不可分的古老信念被打破了，加上开尔文所称的两朵乌云：迈克耳孙一莫利以太漂移实验的零结果和“紫外灾难”，整个经典物理学的大厦开始动摇了。建立新的物理学理论体系的条件已经成熟。
（第四节 ）爱因斯坦与相对论
1887年迈克耳孙—莫利的“以太漂移”实验得出了零结果，被开尔文称为经典物理学万里晴空中的两朵乌云之一，因为牛顿力学和麦克斯韦的电磁学都有—个假设的前提：宇宙空间充满着静止的“以太”。麦克斯韦认为光和电磁波是靠“以太”来传播的。而迈克耳孙—莫利实验的零结果，动摇了麦克斯韦方程组的基础。物理学家感到很丧气，假如放弃“以太”说，又难以解释电磁波的传播；假如承认“以太”说，又找不到证据。经典物理学陷入了进退两难的境地。
这样，在物理学家中出现了两派：一派主张维护“以太”说，但对旧体系进行修正；一派主张彻底抛弃“以太”。前者以斐兹杰惹和洛伦兹为代表，提出了物体相对于“以太”运动时产生长度收缩的假说，引入了后人所称的洛伦兹变换。实际上，斐兹杰惹和洛伦兹已走到了相对论的门口，只是由于没能摆脱经典物理学的思想束缚而没能创立相对论。后者以彭加勒和爱因斯坦为代表。彭加勒是一个很有远见的科学家，在一系列物理学新发现面前，他敏锐地指出：物理学危机不是凶兆而是吉兆，物理学将有大的突破。1904年他就预言，必将产生一种全新的动力学，并指出了新动力学必须包括的内容：惯性随速度增大而增大，光速成为极限速度，在新的力学中包括旧的力学。彭加勒是最接近于发现相对论的科学家。但由于没能完全从牛顿的绝对时空观中解放出来，而没有根本性的突破。最终揭开现代物理学革命序幕的是爱因斯坦。他创立的相对论很大程度上解决了经典物理学的危机。
狭义相对论
1879年3月14日，爱因斯坦出生于德国乌尔姆镇的一个犹太人家庭。父亲很有数学天赋，但由于没钱上学，不得不弃学经商。母亲很有音乐才能，从小爱因斯坦跟母亲学拉小提琴，古典音乐成了爱因斯坦终生的爱好。晚年爱因斯坦曾经说自己拉小提琴的成就要比自己的物理学高明。
爱因斯坦小时候并不是一个聪明绝顶的神童，相反，在4岁时还不会说话，家里的人担心他是一个低能儿。5岁那年，他父亲给了他一只罗盘，他很喜欢这个小玩意儿，细细地端详了很久，反复地摆弄着。他发现：无论怎么摆动，罗盘玻璃罩下的那根细细的红色磁针总是指向北边。噫，这是怎么回事呢？他很惊讶：“是什么东西使它总是指向北边的呢？”那根指针在他幼小的心灵中留下了很深的印象，引起了他探索事物根底的好奇心。碰到下雨，他会提出许多个“为什么”：看见月出，他也会提出许多个“为什么”。总之，各式各样的自然现象都能引起他的好奇和思索。他不愿意和其他孩子在一起嬉笑玩耍，总喜欢一个人玩，并且老是陷在沉思之中，显出一副如痴如呆的样子。爱因斯坦就是靠着这种强烈的求知欲和坚忍不拔的勤奋好学精神，逐渐步入了科学的殿堂。
爱因斯坦读中学时，除数学成绩优秀外，其他各科，如语文、历史、地理等成绩都比较差。这样，科学史上最伟大的天才中途被学校劝退学了。这是1894年发生的事。但爱因斯坦依靠踏踏实实的自学掌握了解析几何和微积分。
1895年，16岁的爱因斯坦到了瑞士，进入阿劳州立学校补习中学课程。1896年考入苏黎士瑞士联邦工业大学师范系理论物理专业学习。在大学期间，爱因斯坦如饥似渴地学习，自学了许多学校课程外的学科。1900年，他以优异的成绩拿到了毕业证书。
然而，毕业之后，爱因斯坦却找不到固定的工作。贫困饥饿驱使着他整天为生活而奔波，他终身没有治愈的肝炎也是在这个时候得的。经济的拮据使得爱因斯坦不得不在电线杆上张贴广告，试图讲授数学、物理和小提琴来赚钱糊口。他曾当过补习老师，也曾为老同学帮自己找到几个月的临时工作而喜出望外。对于爱因斯坦的这段贫困日子，他的一位同学曾这样描述：“可怜的爱因斯坦啊，只差拿着小提琴，去挨家挨户地演奏乞讨了。”
但是，贫困并不能动摇爱因斯坦走研究科学的道路的决心。他继续研究他感兴趣的物理问题，构思他的学术论文。他说：“能找到一个固定的工作就好了，即使工资少一点也无所谓，那样我就一定可以把学术论文写出来。”
就在爱因斯坦几乎山穷水尽的时候，大学时的同窗好友格罗斯曼帮助了他。格罗斯曼的父亲有位朋友是伯尔尼专利局的局长，经格罗斯曼的父亲的推荐，爱因斯坦在伯尔尼专利局谋到了一份技术员的固定职业。从1902年到1909年，爱因斯坦在专利局工作了7年。这是爱因斯坦在业余时间努力探索并取得惊人的科学成就的时期。直到晚年，他依然深情地怀念他的老同学，感谢格罗斯曼在自己最困难时给予的帮助。由于喜欢瑞士的环境，他加入了瑞士国籍。
1905年，爱因斯坦在科学史上创造了一个无先例的奇迹。这一年，他利用在专利局工作以外的业余时间，共写了6篇论文，在三个领域做出了4个有划时代意义的贡献。3月，完成解释光电效应的论文，提出光子说；4月、5月和12月，分别写成的三篇论文是关于布朗运动的，间接证明了分子的存在；6月，完成题为《论运动媒质的电动力学》的论文，提出了狭义相对论；9月，完成有关质能关系式的论文，提出能量等于质量乘光速的平方，即E=mc2，此关系式是核物理学和粒子物理学的理论基础，也是利用原子能以及制造原子弹的理论依据。
后世科学电家评论说，爱因斯坦1905年完成的这四个方面的论文，哪一个都够得上拿诺贝尔奖。这一年，爱因斯坦26岁。在科学史上，只有牛顿23—25岁在乡下躲避瘟疫那段时间取得的成就可以与之相比。