В 1896 г. Французский физик А. Беккерель, изучая явление люминесценции солей урана, установил, что урановая соль испускает лучи неизвестного типа, которые проходят через бумагу, дерево, тонкие металлические пластины, ионизируют воздух.

В 1897—98 г. Мария Склодовская-Кюри и Пьер Кюри, исследуя урановые руды, обнаружила новые химические элементы: полоний, радий. Явление самопроизвольного превращения неустойчивых изотопов в устойчивые, сопровождающееся испусканием частиц и излучением энергии, называется естественной радиоактивностью. Все химические элементы, начиная с порядкового номера 83, являются радиоактивными.

В 1898 г., подвергая радиоактивное излучение действию магнитного поля, Э. Резерфорд выделил два вида лучей: α-лучи — тяжелые положительно заряженные частицы (ядра атомов гелия) и β-лучи — легкие отрицательно заряженные частицы (тождественны электронам).

В 1900 г. П. Виллард открыл гамма-лучи — нейтральное излучение, где масса покоя равна нулю (аналогично свойствам света, но ). После установления Резерфордом структуры атома стало ясно, что радиоактивность представляет собой ядерный процесс. 1902 г. Э. Резерфорд и Ф. Содди доказали, что в результате радиоактивного распада происходит превращение атомов одного химического элемента в атомы другого химического элемента, сопровождаемое испусканием различных частиц и сформулировали правила смещения.