卢瑟福[9]和索迪创立放射性衰变和同位素理论
在放射性研究进展到这个阶段时，更多的科学家开始研究这种新的辐射。他们虽然也积累了大量的实验数据，但却无法解释放射性现象。1899年英国化学家克鲁克斯（William Crookes）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。其他一些科学家也发现了这一现象。同时还发现，钍、镭等放射性元素不仅能产生具有放射性的物质，而且还能使与它有接触的物质也产生放射性。这种放射性还会随着时间流逝而减弱，最后会消失。这些奇异的、当时无法解释的现象引起了那时正在加拿大蒙特利尔大学任实验物理学教授的卢瑟福的极大兴趣。
卢瑟福和他的学生索迪首先对钍的放射性做了大量实验。他们将硝酸钍溶液用氨处理，沉淀出氢氧化钍，过滤后检查干燥的沉淀，其放射性显著降低，而将滤液蒸干除去硝酸铵后的残渣，却有极强的放射性。但过了一个月后，残渣的放射性消失，而钍却又恢复了原有的放射性。他们证实钍的放射性的确变化无常。他们还发现，如果把钍放在密闭的器皿中，其放射性强度较稳定，如果放在一个敞开的器皿中，其放射性强度就会变化不定，尤其容易受表面掠过的空气的影响。他们推测这可能是由于有某种物质放射出来。不久他们便证明这种被放射出来的物质是一种气体，他们称它为钍射气。接着，他们对放射性的镭、锕进行实验研究，也发现它们存在同钍一样的现象。他们把镭放射出来的气体称为镭射气，把锕放射出来的气体叫锕射气。
1903年，卢瑟福和索迪发现，一些放射性元素在放出射线以后，会逐渐减弱其放射性强度，最后变成另一种元素。他们在实验的基础上，提出了原子的自发蜕变理论。放射性蜕变理论的提出，使那些无次序的新发现的元素逐渐有了排列的顺序。按照这个理论，放射性元素经过一系列的蜕变而连续形成一些新元素，其中每一种元素都在化学性质上不同于产生它们的母元素。中间产物的特性，主要表现为放射性减弱，它们的产生基本上与温度无关。每种放射性元素的半衰期是一个固定的数，它取决于某一放射性元素中在单位时间内发生变化的原子的比例。放射性元素的半衰期是大不相同的，从不到1 秒钟到超过100 亿年。
放射性元素的蜕变总是伴随着辐射，卢瑟福对这种现象进行了深入研究。他曾试验了射线穿透薄铝板的能力，并发现某些射线被铝板减慢了，而另外一些射线则有更强的贯穿能力。他将前者叫α 射线，后者叫β 射线。卢瑟福解决了射线的性质问题，这一问题在研究放射性的过程中起着非常重要的作用。
根据实验结果，卢瑟福、索迪提出元素蜕变学说：放射性是由于原子本身分裂或蜕变为另一种元素的原子而引起的。这与一般的化学反应不同，它不是原子间或分子间的变化，而是原子本身的自发变化，放射出α、β、γ 射线，变成新的放射性元素。这一发现打破了元素不会变化的传统观念，使人们对物质结构的研究进入到原子内部这一新的层次。
卢瑟福、索迪的开创性工作吸引了许多年轻的科学家。就在1903年以后的几年，人们不断地用各种方法从铀、钍、锕等放射性元素中分离出一种又一种“新”的放射性元素。到1907年，被分离出来并加以研究过的放射性元素已近30 种，多到周期表中没有可容纳它们的空位。这就产生了矛盾，人们怀疑周期表对放射性元素是否适用。另外人们对这些新发现的放射性元素进行对比研究后，发现有些放射性不同的元素其化学性质则完全一样。例如钍与由它蜕变生成的射钍，尽管放射性显著不同，可是将它们混合后，却难以用化学方法使它们分离，化学性质则完全一样。这类事实积累得愈来愈多。索迪根据这类事实，于1910年提出了著名的同位素假说：存在不同原子量和放射性，但其他物理、化学性质完全一样的化学元素变种，这些变种应该处在周期表的同一位置上，因而命名为同位素。接着索迪根据原子蜕变时放出α 射线相当于分裂出一个氦的正离子，放出β 射线相当于放出一个电子，从而提出了放射性元素蜕变的位移规则。发生β 蜕变后，向后移一位，即原子序数增1，原子量不变。根据同位素假说，他们把天然放射性元素归纳为三个放射系列：铀-镭系、钍系和锕系。这不仅解决了数目众多的放射性“新”元素在周期表中的位置问题，而且也说明了它们之间的变化关系。根据位移规则推论，三个放射系列的最终产物都是铅，但各系列产生的铅的原子量却不一样。
国际科学界对卢瑟福关于放射性物质蜕变的领域中的开拓性研究做出了极高的评价，认为蜕变理论的一些实验结果，已促使对科学的一些基本概念的崭新的和更加广泛的解释出现。因此，卢瑟福的研究成果奠定了放射性理论的基础，使后来的物理学和化学发生了一场革命。
图96 欧内斯特·卢瑟福
欧内斯特·卢瑟福除了理论上的重要贡献外，他的发现在很大范围内还有重要的应用价值，如核电站、放射标识物以及运用放射性测定年代等。