门捷列夫又返回实验室，继续研究他的纸卡。他把重新测定过的原子量的元素，按照原子量的大小依次排列起来。他发现性质相似的元素，它们的原子量并不相近；相反，有些性质不同的元素，它们的原子量反而相近。他紧紧抓住元素的原子量与性质之间的相互关系，不停地研究着。他的脑子因过度紧张，而经常昏眩。但是，他的心血并没有白费，在1869年2月19日，他终于发现了元素周期律。他的周期律说明：简单物体的性质，以及元素化合物的形式和性质，都和元素原子量的大小有周期性的依赖关系。门捷列夫在排列元素表的过程中，又大胆指出，当时一些公认的原子量不准确。如那时金的原子量公认为169．2，按此在元素表中，金应排在锇、铱、铂的前面，因为它们被公认的原子量分别为198．6、196．7、196．7，而门捷列夫坚定地认为金应排列在这三种元素的后面，原子量都应重新测定。大家重测的结果，锇为190．9、铱为193．1、铂为195．2，而金是197．2。实践证实了门捷列夫的论断，也证明了周期律的正确性。
在门捷列夫编制的周期表中，还留有很多空格，这些空格应由尚未发现的元素来填满。门捷列夫从理论上计算出这些尚未发现的元素的最重要性质，断定它们介于邻近元素的性质之间。例如，在锌与砷之间的两个空格中，他预言这两个未知元素的性质分别为类铝和类硅。就在他预言后的四年，法国化学家布阿勃朗用光谱分析法，从门锌矿中发现了镓。实验证明，镓的性质非常像铝，也就是门捷列夫预言的类铝。镓的发现，具有重大的意义，它充分说明元素周期律是自然界的一条客观规律；为以后元素的研究，新元素的探索，新物资、新材料的寻找，提供了一个可遵循的规律。元素周期律像重炮一样，在世界上空轰响了！
门捷列夫发现了元素周期律，在世界上留下了不朽的光荣，人们给他以很高的评价。恩格斯在《自然辩证法》一书中曾经指出。“门捷列夫不自觉地应用黑格尔的量转化为质的规律，完成了科学上的一个勋业，这个勋业可以和勒维烈计算尚未知道的行星海王星的轨道的勋业居于同等地位。”
由于时代的局限性，门捷列夫的元素周期律并不是完整无缺的。1894年，惰性气体氩的发现，对周期律是一次考验和补充。1913年，英国物理学家莫塞莱在研究各种元素的伦琴射线波长与原子序数的关系后，证实原子序数在数量上等于原子核所带的阳电荷，进而明确作为周期律的基础不是原子量而是原子序数。在周期律指导下产生的原于结构学说，不仅赋予元素周期律以新的说明，并且进一步阐明了周期律的本质，把周期律这一自然法则放在更严格更科学的基础上。元素周期律经过后人的不断完善和发展，在人们认识自然，改造自然，征服自然的斗争中，发挥着越来越大的作用。
门捷列夫除了完成周期律这个勋业外，还研究过气体定律、气象学、石油工业、农业化学、无烟火药、度量衡等。由于他总是夜以继日地顽强地劳动着，在他研究过的这些领域中，都在不同程度上取得了成就。
1907年2月2日，这位享有世界盛誉的科学家，因心肌梗塞与世长辞了。但他给世界留下的宝贵财产，永远存留在人类的史册上。
门捷列夫的黑点
门捷列夫的元素周期律是化学领域里的一项革命性发现。以后，门捷列夫也曾想进一步弄清元素的性质随原子量增加呈周期性变化的原因，但是由于他的思想未能从元素不能转化、原子不可分割等形而上学传统观念的束缚中解脱出来，因而到19世纪末人们发现了放射性元素和电子的存在，为揭开原子从量变到质变内幕提供了新的实验依据之时，他不仅不能利用这些新的科学实验成果进一步发展他的周期律学说，相反，却极力否认原子的复杂性和电子的客观存在，竭尽全力去进行反对。他说，承认电子存在不但“没有多大用处”，“反而只会使事情复杂化”，“丝毫不能澄清事实”。放射性的发现明明表明元素是可以转化的，他却说“我们应当不再相信我们已知的单质的复杂性”，“应当消除任何相信我们已知单质复杂性的痕迹。”并宣布：“关于元素不能转化的概念特别重要”，“是整个世界观的基础”。
然而，化学家们正是在19世纪末放射性和电子等一系列伟大发现的基础上，一步步揭示出了元素周期律的本质，扬弃了门捷列夫的原子不可分和元素不可转化的陈旧观念，根据门捷列夫元素周期律的合理内核，制定出了新的元素周期律。在门捷列夫元素周期律基础上诞生的元素周期律新理论，比门捷列夫的理论更具有真理性。它揭示了元素在周期表中的排列顺序是按原子中的质子数排列的。随着原子序数的增加，原子的质子数增加，这时一般地说中子数也增加。质子数和中子数总合起来表现为原子量的增加。但实践证明，并不是有多少种元素就有多少种原子。一种元素中有含中子数多的同位素，也有含中子数少的同位素。元素的原子量是同位素的平均数。这里的所谓质子数，就是原子核外围的电子数，也就是原子核的电荷数，即原子序数，从而，解决了门捷列夫解决不了的问题。但这些探索元素周期律后来获得的成果，都被门捷列夫在反对放射性发现和电子存在中丧失了。
僵化思想，就这样使大化学家门捷列夫在探索元素周期律奥秘的前进道路上走向了倒退，丧失了应该根据新的科学实验成果发展元素周期律的良机，为我们留下了珍贵的启示。
化学键理论的发展
元素是怎样形成化合物的，这是化学家共同关心的话题。
化学键理论应该回答原子怎样形成分子（或晶体），以及分子为什么可以稳定存在等问题。最早化学家假设原子和原子之间是用一个神秘的钩钩住的，这种设想至今仍留下痕迹，化学键的键字就有钩的意思。历史上曾出现各种理论，从贝采利乌斯的二元学说起，到热拉尔的类型论、凯库勒和布特列洛夫的结构理论、维尔纳的配位理论、路易斯等的电子理论等，经过了一个多世纪的努力，终于逐渐形成现代的化学键理论。
1812年，贝采利乌斯发表了二元学说。当时已知道水经电解后，氢气从负极析出，氧气从正极析出。他从电解现象中得到启发，认为每种化合物都是由电性相反的两部分组成。电解时，正的部分在负极析出，负的部分则在正极析出。
它们靠正电性和负电性两部分以静电吸引结合而成稳定分子。二元学说解释无机化合物较好，解释有机化合物则遇到了困难。
热拉尔完全抛弃了二元学说，提出类型论，他把化合物分为四类：
（1）氢类型（2）氯化氢类型（3）氨类型（4）水类型
HHHClHHHNHHO
这四个母体化合物中的氢被各种基团所取代，可得到各种各样的化合物。例如：
（1）乙烷（2）氯代乙烷（3）乙胺（4）乙醇
C2H5HC2H5ClC2H5HHNC2H5HO
类型论只能总结实验结果，使有机化合物初步系统化，但没有预见性。
1857年，凯库勒提出碳是四价，并注意到碳的原子价不分正负，因而碳与碳原子可以结合形成链状。后来，凯库勒又提出在芳香族化合物里，碳具有环状结构，对于苯分子提出了凯库勒结构式。他并指出原子间可以单键、双键和三键联结。凯库勒的理论对有机化学的发展起了很大的推动作用。
1861年，布特列洛夫提出了化学结构理论。他认为分子不是原子的简单堆积，而是原子按一定顺序排列的化学结合；这样结合起来的每个原子之间有复杂的化学力相互作用。这种化学力的分配叫做物质的化学结构，或称分子中原子间的相互作用。分子中原子间的相互作用包含相邻原子间直接的相互作用和不相邻原子间的间接相互作用。他还认为每一个分子只能有一个确定的结构，物质的化学性质决定于它的化学结构。
1893年，维尔纳提出了配位理论来解释络合物的结构。认为金属有两种原子价，即主价和副价，后者或称配位数。每一种金属有一定副价。主价必须由负离子来满足，而副价则可由负离子或中性分子来满足。副价有方向性，如副价为6时，指向正八面体的六个顶点。副价为4时有两种情况，可以指向正方形的四个角，或指向正四面体的四个顶点。
以上是19世纪发展起来的经典结构理论，它们是概括了大量化学事实而提出来的，又能解释许多事实，但限于当时的科学水平，对许多问题还搞不清楚。例如，分子中原子相互结合的本质是什么？副价是怎样产生的？非相邻原子之间的相互作用是怎样的？进入20世纪后，随着电子、放射性的发现，玻尔在普朗克的量子论和卢瑟福的原子模型基础上提出了原子结构理论，这些为创立化学键的电子理论打下了基础。
1914年到1919年，美国物理化学家路易斯等人创立和发展了电子理论。他们认为：①原子价可分为共价和电价，共价是由两个原子共有电子对而成，电价是靠正负离子的静电引力而成。②原子得失电子或共有电子，如果外层电子达到稀有气体的结构时最稳定（即所谓八隅律）。
用八隅律解释共价键的饱和性，有很多例外，而共价键的方向性，电子理论也不能解释。但是电子理论已经明确指出分子中原子间的相互作用是价电子和各原子核间的相互作用，原子间的一个化学键是一对电子。由于电子理论中引进的电子概念是静止的，所以，还不能解释清楚共价键的本质问题。
1927年，海特勒和伦敦用量子力学处理氢分子获得成功，开创了现代的化学键理论。目前流行的化学键理论有电子配对理论（或称价键理论）、分子轨道理论以及配位场理论。价键理论认为，成键的电子只是价电子，而其他电子仍是在各自的原子周围运动。价键法与化学家熟悉的电子配对、八隅律等概念符合，因此较易为人们所接受，同时，用它处理分子结构问题，价键的概念较明晰，因而一直为许多教科书所采用。但对许多化学现象，如氧分子的顺磁性、氮分子的特殊稳定性等，价键理论都无法解释。在这些方面，分子轨道理论能发挥其作用。分子轨道理论将整个分子看作一个整体，整个分子中的各原子核形成一定的势场，所有的电子都在这势场的一定的分子轨道中运动。电子在分子轨道中运动，同样遵循能量最低原理。近年来，由于分子轨道对称守恒原理的发现及广泛应用，分子轨道理论发展较快。
α射线的发现
α射线，也称“甲种射线”，是放射性物质所放出的α粒子流。它可由多种放射性物质（如镭）发射出来。α粒子的动能可达几兆电子伏特。从α粒子在电场和磁场中偏转的方向，可知它们带有正电荷。由于α粒子的质量比电子大得多，通过物质时极易使其中的原子电离而损失能量，所以它能穿透物质的本领比β射线弱得多，容易被薄层物质所阻挡，但是它有很强的电离作用。从α粒子的质量和电荷的测定，确定α粒子就是氦的原子核。
卢瑟福1898年发现铀和铀的化合物所发出的射线有两种不同类型：一种是极易吸收的，他称之为α射线；另一种有强效的穿透能力，他称之为β射线。后来法国化学家维拉尔又发现具有更强穿透本领的第三种射线γ射线。由于组成α射线的α粒子带有巨大能量和动量，就成为卢瑟福用来打开原子大门、研究原子内部结构的有力工具。
卢瑟福用镭发射的α粒子作“炮弹”，用“闪烁法”观察被轰击的粒子的情况。1919年，终于观察到氮原子核俘获一个α粒子后放出一个氢核，同时变成了另一种原子核的结果，这个新生的原子核后来被证实为是O17原子核。这是人类历史上第一次实现原子核的人工嬗变，使古代炼金术士梦寐以求的把一种元素变成另一种元素的空想有可能成为现实。当时卢瑟福写了一本书就取名为《新炼金术》。
发现中子
自卢瑟福把原子描绘为一种微型太阳系以来，人们一直在试图说明原子的构造，但却是枉费心机，原子核的谜越来越不可思议。直到1930年，德国科学家波特和贝克发现原子序数是4的轻金属铍，在α粒子轰击下发射出一种穿透力极强而且不受电场或磁场影响的射线。1932年，居里夫人的女儿伊莲娜和她的丈夫弗里德里克·约里奥发现，这些奇妙的新射线，能将运动速度极快的氢核从煤油中释放出来。这些射线不可能是电磁射线，所以它们肯定是由粒子组成的。然而，这些不受电场和磁场影响的是什么样的粒子呢？科学再一次面对不解之谜……
卢瑟福的学生查德威克借助于云室，破译了这个大谜团。查德威克利用在云室拍下的照片，发现除了α粒子的各种轨迹以外，照片上还显示出两处极其吻合的东西。第一处碰撞的痕迹表明一个神秘的粒子被释放了。而第二处看到的是不知来头的速度极快的氢核行迹，它只有在原子核同飞快的射弹发生碰撞时才会产生。查德威克认为第一次碰撞释放的、不明去向的粒子正是造成第二次碰撞的、不知来头的射弹。但它是什么样的粒子呢？
因为它在云室中没形成痕迹，并且不受磁场或电场的影响，这表明它不带电，是中性的，所以被称为“中子”。查德威克能够确定，中子的重量，或者说质量，几乎跟氢核的质量一样。就这样，能够击破原子核的中子被发现了。
加速器发展简史
1919年英国科学家卢瑟福用天然放射源中能量为几个MeV、速度为2×109厘米/秒的高速α粒子束（即氦核）作为“炮弹”，轰击厚度仅为0．0004厘米的金属箔的“靶”，实现了人类科学史上第一次人工核反应。利用靶后放置的硫化锌荧光屏测得了粒子散射的分布，发现原子核本身有结构，从而激发了人们寻求更高能量的粒子来作为“炮弹”的愿望。
静电加速器（1928年）、回旋加速器（1929年）、倍压加速器（1932年）等不同设想几乎在同一时期提了出来，并先后建成了一批加速装置。
1932年美国科学家柯克罗夫特（J·D·Cockcroft）和爱尔兰科学家沃尔顿（E·T·S·Walton）建造成世界上第一台直流加速器——命名为柯克罗夫特-沃尔顿直流高压加速器，以能量为0．4MeV的质子束轰击锂靶，得到α粒子和氦的核反应实验。这是历史上第一次用人工加速粒子实现的核反应，因此获得了1951年的诺贝尔物理奖。