1895年，德国物理学家伦琴Wilhelm Rontgen

（1845 -1923年）在用阴极射线管做实验时发现接收端附近有荧光现象，经过几个星期在实验室里的不眠不休实验，终于在当年12月确定自己发现了一种新的射线——X射线。这是人类发现的第一个穿透性射线，引起了全世界的轰动。第二年X射线便应用于医学影像诊断。

受到这一发现鼓励，法国科学家贝克勒尔Antoine Henri Becquerel（1852—1908年）也通过感光性研究未知射线，他在1896年发现铀盐和铀金属板可以使相片胶卷感光，认为其可以发出一种不可见的光（或荧光）。虽然他的认识不正确，但打开了放射性研究的大门，后来，物质放射性强度单位Bq就是以他的名子命名。

随后，居里夫妇在轴矿废渣中发现，其放射性强度比轴要大出许多倍，于是他们猜测其中含有放射性更强的物质。1899年，他们经过对吨级的矿渣提取分离，发现了两种新的放射性元素，分别是放射性强度比铀大数百倍的钍和数百万倍的镭。三人因对放射性的研究，获得1903年诺贝尔物理学奖。很多人都希望镭可以与X射线一样，广泛应用于医学。

当镭及其强大的放射性被发现后，风靡世界，很多厂商开发出了镭牙膏、镭饮料，但当镭对健康的危害被发现后，这些都被政府禁止了。1903年，刚刚在日本剪掉辫子的鲁迅先生通过《浙江潮》发表文章，向国人介绍镭：“其放射力，毫不假与外物，而自发于微小之本体中，与太阳无异。”1904年，鲁迅转到日本仙台读医学。

当居里夫人最早发现镭时，希望镭的放射性可以在医学上做贡献。一战期间，她还呼吁镭在影像诊断（检查伤员弹片位置）上的应用。美国对此作出了积极回应，美国威尔逊总统还赠给她一克镭（居里夫人未申请专利，无法从镭的应用中获得利润）。1904年，美国医生Howard Atwood Kelly (1858 –1943)就开始在Johns Hopkins医院使用镭来治疗癌症，当时他采用把镭的化合物包装成胶囊状，然后缝进肿瘤相应部位。很多病人因为大剂量辐射出现了副反应甚至死亡。中国物理学先驱胡刚复（1892—1966）在1913年留学哈佛大学时也曾协助导师类似镭辐射治疗肿瘤研究。不过，更广泛地应用于医学的是放射性同位素。

英国物理学家卢瑟福Ernest Rutherford（1871-1937）在发明了一个无线电接收器后，于1895年申请去剑桥卡文迪许实验室做博后。虽然创造了一个无线电信号接收的距离记录，但很快他发现马可尼的无线电报技术更有优势。于是他跟随汤姆生J. J. Thomson研究射线对气体的作用，并于1897年协助J. J. Thomson发现了电子。1898年，Thomson推荐Rutherford去加拿大蒙特利尔的麦吉尔大学担任教授。在那里，他与助手Frederick Soddy（1877-1956，当时担任该大学的化学实验演示员）开始转向刚兴起的放射性的研究。

他们发现放射性随时间减弱，由此提出了放射性半衰期概念；通过对射线的穿透力和电磁性的研究，他们辨别出至少有两种射线，Rutherford把他们命名为：α射线与β射线。他们还发现放射性元素会转变为其它元素。通过对其中化学反应的排除，他们大胆提出：放射可引起原子变化（核衰变）。

1907年，Rutherford在英国曼彻斯特大学，与助手Thomas Royds (1884 - 1955)确证了α射线是氦离子。而在伦敦大学的Soddy也得到了类似的结论。1908年，Rutherford因为核物理的研究而获得诺贝尔物理学奖。而在前一年，Thomson已经因发现电子获得了这一荣誉。

但放射性领域还有一些问题待解答，如1899年，英国化学家William Crookes（1832－1919年）在分离铀矿物过程中，发现一部分铀具有放射性，另一部分铀却无放射性。一些放射性元素的原子量不同，但化学性质却相同。当时测算原子序数和原子量的方法不够精密，

1913年，Frederick Soddy来到哥拉斯哥大学，希望进一步研究元素放射问题。但一战即将爆发，男学生和实验人员，大都被动员参军、生产军火或参加政府其他活动，他只得请女学生Ada Florence Remfry Hitchins (26 June 1891 – 4 January 1972)等几位做自己的助手。而Ada Hitchins也有机会发挥自己细致严谨的特点，实验工作一丝不苟。1914年，Soddy又带她去阿伯丁大学工作。在此期间，通过Ada Hitchins准确的实验，Soddy提出了他的同位素理论：质子数相同，原子量不同的元素，互为同位素，化学性质相似。并且，他提出了核衰变后原子序数的位移规律。1921年，Soddy获得诺贝尔化学奖。但是第一次世界大战对Soddy产生了很大的影响，使他转向经济、社会研究。

一战后，Francis William Aston（ 1877－1945）返回卡文迪许实验室工作。他在研究同位素时发明了质谱仪。他用感光片记录在磁场中被分离的离子束，根据标准物质谱线来确定相应谱线的元素。用这种仪器，他发现了200余种同位素，并于1922年获得诺贝尔化学奖。

因为通过放射性强的元素辐射（轰击）其它元素，就可能产生新的同位元素，因此大家都希望获得高能量的粒子，观察高能粒子对核反应的影响。

1930年，在加州大学图书馆的一个晚上，刚刚晋升为教授的Ernest Orlando Lawrence（1901-1958）在苦苦思索通过加速获利高能粒子时，想到了回旋加速的办法，粒子在磁场内做平面环形运动，在某一点置一个加速电场，使粒子每回旋一周就被加速一次，这样就可以得到高速粒子，他赶紧把这个灵感记录到一张手边的餐巾纸上。经过不断改进，1932年，他和学生一起建成了第一个实用的加速器。他于1939年获得了诺贝尔奖。

当时知名的粒子物理和核物理学家多是欧洲人，当Lawrence在欧洲参加相关的学术讨论会并介绍自己的成果时，很多物理学家如James Chadwick等人对此并不重视。但Lawrence仍然信心十足地向美国政府申请庞大的经费，计划建立更大功率的粒子加速器，并且不断向医学等应用领域介绍他的成果，其中就包括他的弟弟。

他的弟弟John Hundale Lawrence（1904-1991）是位医生，在他的介绍下，对粒子加速器引起了兴趣，并于1936年到加州大学访问他。Ernest Lawrence安排自己的中国学生吴健雄（1912—1997）等人，用回旋加速器制成用磷32同位素，让他弟弟做动物试验。John Lawrence首先用小鼠做实验，通过给小鼠注射同位素溶液，白血病小鼠出现好转。随后，他把同位素磷32应用于治疗白血病的人体试验研究。John Lawrence也因此成为核医学的先驱。

1941年，美国医学家Saul Hertz (1905 –1950)则使用MIT制造的回旋加速器制备出放射性碘同位素，用于治疗甲状腺疾病。经过多位医学家的努力，核医学在1950年代全面发展。