卢瑟福1898年在卡文迪许实验室研究生毕业后，由JJ汤姆生推荐，到加拿大的麦吉尔大学任物理学教授。除教学之外，他继续研究放射性。与来自英国的青年化学家F索迪合作，于1902年首先发现了放射性元素的半衰期，提出放射性是元素自发衰变现象，指出放射性和光谱实验表明，原子有一个很复杂的结构。1903年5月，他和索迪根据α射线和β射线在电场和磁场中的偏转度，辨别出它们分别由带正、负电的粒子构成．指出放射性元素的原子衰变时释放荷电粒子而变成性质不同的新元素，列出了早期的镭、钍、铀的衰变图谱，确认α射线的能量占放射性元素辐射能量的99％以上，为他们后来以α射线作为研究原子结构的炮弹提供了根据。1905年他应用放射性元素的含量及其半衰期，计算出太阳的寿命约为50亿年，开创了用放射性元素半衰期计算矿石、古物和天体年纪的先河。
卢瑟福在放射性研究上取得的一系列重大成果，使他扬名于世。1907年他谢绝了一些著名大学的高薪聘请，而出任英国曼彻斯特大学的物理学教授，因为该校有设备先进的实验室和优越的科研条件。卢瑟福对α、β、γ射线作了大量的研究。1908年，他测算出β射线的电荷。1913年，他提出α粒子的带电量为2e，原子量为3．84，认为α粒子失去电荷后应变成氦原子。1913—1914年，他与人合作，测定γ射线的性质和波长，确认γ射线是一种比X射线频率更高的电磁辐射。
卢瑟福早就有用α射线探索原子结构的想法。1903年他就发现α射线的能量比β和γ射线大99倍左右，1906年他又发现α射线通过云母片时，出现了偏转2°的小角度散射现象。1908年6月，盖革发现α射线的散射角与靶材料的原子量成正比。同年10月，布拉格写信给卢瑟福，告诉他用α粒子轰击原子时发生α粒子急转弯的现象。这些现象促使他和盖革决定用重金属靶进行散射实验。1909年3月，卢瑟福向正在实验的马斯登提出“看一看你是否能够得到从金属表面直接反射α粒子的效应？”结果，马斯登发现了等于和大于90°的大角度散射现象。卢瑟福以特有的洞察力和直觉，抓住这个反常现象，从原子内存在强电场的思想出发，1911年构思出原子的核式结构模型。1912年，盖革和马斯登用实验证实了带正电的原子核的存在。1913年莫塞莱用元素特征谱线与原子序数的关系证实了核外电子环的存在。
1918年，卢瑟福继JJ汤姆生之后，担任卡文迪许实验室领导，将卡文迪许实验室发展到一个新的高峰。将物质微观结构的研究推向崭新的阶段，同时也培养出了许多青年科学家。
卢瑟福20世纪初最伟大的实验物理学家，他1908年获诺贝尔化学奖。一生发表论文约215篇，著作6种，培养了10位诺贝尔奖获得者。1937年10月19日患肠阻塞并发症逝世，葬于伦敦威斯敏斯特大教堂牛顿墓旁。
玻尔和原子模型
玻尔于1885年10月7日出生丹麦哥本哈根一知识分子家庭。受家庭的熏陶并得到良好教育，使他知识视野很广，大学毕业后同卢瑟福共创原子科学的新时代。于1913年综合了普朗克的量子理论，爱因斯坦的光子理论和E·卢瑟福的原子模型，提出了新的原子模型，即后来被称玻尔理论。这理论成功地解释了氢光谱并排出了新的元素周期表。1922年由于对原子结构理论的重大贡献，获得诺贝尔物理奖。1930年以后研究核物理和分子生物学等，并取得重大成就。和许多科学家共同研制了世界上第一颗原子弹。玻尔的一生得到过很多荣誉，除诺贝尔物理奖外，还获得过英国、挪威、意大利、美国、德国、丹麦给予科学家的最高奖赏。得到各种学术头衔、名誉学位，会员资格比任何一位同时代的科学家都多。他热爱祖国，以他的决心和胆识，谢绝各种外来的高薪聘请，在一个人口不到五百万的丹麦国建立起物理学的国际中心，把哥本哈根建成了物理学家“朝拜的圣地”。他的一生就是不断地进取和创造，为后来人树立了光辉的榜样。
由于对卢瑟福的仰慕，于1912年3月到曼彻斯特大学在卢瑟福领导下工作了4个月，当时正值卢瑟福提出了他的原子核式模型。人们把原子设想成与太阳系相似的微观体系，但是在解释原子的力学稳定性和电磁稳定性上却遇到了矛盾。这时玻尔开始酝酿自己的原子结构理论。
玻尔早在大学作硕士论文和博士论文时，就考察了金属中的电子运动，并明确意识到经典理论在阐明微观现象方面的严重缺陷，赞赏普朗克和爱因斯坦在电磁理论方面引入的量子学说。在他研究原子结构问题时，就创造性地把普朗克的量子说和卢瑟福的原子核概念结合了起来。在玻尔离开曼彻斯特大学以前，曾向卢瑟福呈交了一份论文提纲，引入了定态的概念，给出了定态应满足的量子条件。回到哥本哈根后，1913年初，有朋友建议他研究原子结构，应很好地联系和应用当时已有的丰富而精确的光谱学资料，这使他思路大开。通过对光谱学资料的考察，玻尔的思维和理论有了巨大的飞跃，使他写出了“论原子构造和分子构造”的长篇论著，提出了量子不连续性，成功地解释了氢原子和类氢原子的结构和性质。1921年，玻尔发表了“各元素的原子结构及其物理性质和化学性质”的长篇演讲，阐述了光谱和原子结构理论的新发展，诠释了元素周期表的形成，对周期表中从氢开始的各种元素的原子结构作了说明，同时对周期表上的第72号元素的性质作了预言。1922年，发现了这种元素铪，证实了玻尔预言的正确。1922年玻尔获诺贝尔物理学奖。
1920年在玻尔筹划下创立的哥本哈根大学理论物理研究所，在创立量子力学的过程中，成为世界原子物理研究中心。这个研究所不但以其一批批出色的科学成就而为人所知，而且以其无与伦比的哥本哈根精神著名，这就是勇猛进取、乐观向上、亲切活泼、无拘无束的治学风气，各种看法通过辩论得到开拓和澄清。玻尔担任这个研究所的所长达四十年，起了很好的组织作用和引导作用。
30年代中期，开始出现了许多由中子诱发的核反应，迫切需要一种适用的核模型，玻尔提出了原子核的液滴模型，对一些类型的核反应作出了说明，相当好地解释了重核的裂变。
1943年，玻尔从德军占领下的丹麦逃到美国，参加了研制原子弹的工作，但对原子弹即将带来的国际问题深为焦虑。1945年二次大战结束后，玻尔很快回到了丹麦继续主持研究所的工作，并大力促进核能的和平利用。1962年11月18日，玻尔因心脏病突发而逝世。
原子序数元素名称元素符号发现者发现年代寿命最长的同位素和半衰期
43锝Tc西格雷，佩里埃1937Tc97260万年
61钷Pm马林斯基等1945Pm14518年
85砹At西格雷，科森等1940At2108．1小时
87钫Fr佩雷1939Fr21220分钟
93镎Np麦克米伦1940Np237214万年
94钚Pu麦克米伦，西博格1940Pu2447．6×107年
95镅Am西博格，吉奥索1944Am2437370年
96锔Cm西博格，吉奥索1944Cm2471．54×107年
97锫Bk西博格，汤普生等1949Bk2471400年
98锎Cf西博格，吉奥索等1950Cf251900年
99锿Es西博格，吉奥索1955Es254276天
100镄Fm西博格，吉奥索1955Fm25782天
101钔Md吉奥索1955Md25855天
102锘No弗列罗夫等1957No25958分钟
103铹Lr吉奥索1961Lr2603分钟
元素周期律的发现
从德贝莱纳到纽兰兹
也许人类天生就有将凌乱的知识材料整理、组织、系统化的渴求。元素周期律的发现史充分展现了人们追求真理时不倦的探索精神和坚韧不拔的毅力。
19世纪初，戴维用电解法和热还原法制得了钾、钠、镁、钙、锶、钡、硼和硅，并证明了那种黄绿色的气体是元素氯而不是所谓的“氧化盐酸”。戴维使元素的种类增加了九种。在这前后，法拉第的好友、曾与戴维竞选英国皇家学会主席的武拉斯顿制得了铑和钯；贝采利乌斯发现了铈、硒和钍；库特瓦用浓硫酸处理海藻灰母液，制得了单质碘；本生的老师斯特罗迈耶用烟炱还原氧化镉制得金属镉；首先合成并研究尿素的维勒用金属钾还原无水氯化铝，制得了纯净的金属铝；溴是用氯气氧化制得的。19世纪上半叶，由于化学分析方法的丰富，人们还发现了钽、锇、铱、锂、钒、镧、铌、钌、铽、铒。及至本生和基尔霍夫创造光谱分析法，在1860年到1863年的四年间人们发现铯、铷、铊、铟四种元素，掀起了元素发现的又一个高潮。到此，人们已经发现了63种元素。
在对物质、元素的广泛研究中，关于各种元素的性质的资料，积累日愈丰富，但是这些资料却是繁杂纷乱的，人们很难从中获得清晰的认识。整理这些资料，概括这些感性知识，从中摸索总结出规律，成为当时化学家面前一个亟待解决的课题。
道尔顿提出科学原子论之后，许多化学家都把测定各种元素的原子量当作一项重要工作，并逐渐明确了原子价（化合价）的概念。这样就使元素原子量与性质（包括化合价）之间存在的联系逐渐展露出来。
1829年，德国化学家德贝莱纳（1780—1849年），根据元素性质的相似性提出了“三素组”学说。他归纳出了5个“三素组”：
LiCaPSCl
NaSrAsSeBr
KBaSeTeI
在每个“三素组”中，中间元素的相对原子质量约是其他两种元素相对原子质量的平均值，而且性质也介于其他两种元素之间。但是，在当时已经知道的54种元素中，他却只能把15种元素归入“三素组”，即：
Li、Na、K组Na相对原子质量=（7+37）/2＝22
C1、Br、I组Br相对原子质量＝（35．46+126．40）/2=80．97
Ca、Sr、Ba组Sr相对原子质量＝（40+137）/2=88
因此，不能揭示出其他大部分元素间的关系。虽然“三素组”学说没能引起人们的重视，但这却是探求元素性质和相对原子质量之间关系的一次富有启发性的尝试。
1862年，法国矿物学家尚古多提出一个“螺旋图”的分类方法。他将已知的62种元素按原子量的大小顺序标记在绕着圆柱体上升的螺旋线上，这样某些性质相近的元素恰好出现在同一母线上。因此他第一个指出了元素性质的周期性变化。但是他没有区分主族和副族，一些性质迥异的元素，如硫和钛、钾和锰都跑到同一条母线上了。
两年内尚古多先后把有关的三篇论文、图表、模型送交巴黎科学院，都遭到了拒绝。直到元素周期律已被普遍接受的1889年，他的报告才得到出版。
1864年，德国人迈那耳（1830—1895年）发表了《六元素表》。在表中，他根据物理性质和相对原子质量递增的顺序把性质相似的元素六种、六种地进行分族，排出了一张元素分类表。这张比以往任何一张元素分类表都高明，但有下列致命缺点，那就是只盲目地按相对原子质量递增排列，而未空出应有的位置来。其次，它按物理性质排列，很难揭示元素内在联系，而且包括的元素并不多，还不到当时已知元素的一半。
1865年，英国皇家农业学会化学师纽兰兹（AYNewlands，1837—1898年）把当时已知的62种元素按相对原子质量由小到大的顺序排列，发现从任意一种元素算起，每当排列到第八种元素时就会出现性质跟第一个元素相似的情况。纽兰兹从小受母亲的影响，爱好音乐，觉得这好像音乐上的八个音阶一样重复出现，于是自己把它称为“八音律”，画出了“八音律”表。
发现元素的性质有周期性的重复，第八个元素与第一个元素性质相近，就好像音乐中八音度的第八个音符有相似的重复一样。纽兰兹这个表的前两个纵列相应于现代周期表的第二、三周期，但从第三纵列以后就不能令人满意了，有六个位置同时安置了两种元素，还有些顺序考虑到元素的性质而大胆地颠倒了，但并不恰当。纽兰兹没有充分估计到原子量值会有错误，更没有考虑到那些未被发现的元素应该预先留出空位。他只是机械地将元素按原子量大小的顺序连续地排列起来。结果锰和氮、磷、砷排成了性质相似的一排；钴和镍在氯、溴之间，也属于了卤素！——也只好由它们这样。这样做把事物内在的本质规律掩盖起来了。
当时纽兰兹的同行、英国化学家们普遍把八音律斥之为幼稚的滑稽戏，佛斯特教授甚至挖苦说：“为什么不按元素的字母顺序排列呢？那样，也许会得到更加意想不到的美妙效果。”纽兰兹因而对理论问题的研究感到失望，转而研究制糖工艺。
从“三元素组”到“八音律”（期间包括多位化学家的探索）都从不同的角度，逐步深入地探讨了各元素间的某些联系，使人们一步步逼近了科学的真理。然而探索者的脚步却是歪歪斜斜、迂回曲折的，甚至成为冷眼旁观者的笑料。
在这些探索者中，迈耶尔第一个区分了主族和副族元素。
迈耶尔著述《近代化学理论》
尤利乌斯·洛塔尔·迈耶尔1830年8月19日出生于德国一位医生的家庭，从小就受医疗知识和医疗手段的熏陶。1854年他获得维尔兹堡大学医学博士学位。毕业后的迈耶尔发现自己对科学研究的兴趣比开业当医生要强烈得多。在他的导师、生理学教授卢德维希的鼓励下，迈耶尔转向研究生理化学，后来又在海德尔堡大学化学教授本生的指导下进行研究。本生对气体的研究启发迈耶尔于1856年完成了研究论文《血液中的气体》。文中指出，氧气在肺部被血液吸收的量与压力无关，这不是简单的溶解，而是因为氧与血液之间存在着较为松弛的化学结合力。同时，一氧化碳与血液之间存在着较强的化学结合力，所以一氧化碳能够排挤掉已经与血液结合的氧。
1859年迈耶尔担任布雷斯劳大学讲师期间，首先接受了严格的史学研究的训练，他重点研究了19世纪上半叶的化学发展史，写成了《贝托雷和贝采利乌斯的化学理论》。这项研究使他对当时各种化学思想的交锋有了比较和鉴别。