キュリー夫妻はウラン鉱石ピッチブレンドの中に、ウランよりも強い放射能を持つ未知の元素があると気づきました。化学的分離をくり返し、1898年にポロニウム、同年末にラジウムを発見します。マリ・キュリーは当時の女性には珍しくパリ大学で学び、実験室の改良や測定法の開発も主導しました。ラジウム塩の発光や発熱は物質が自らエネルギーを出す現象で、原子が壊れるという概念を確立させました。放射線はがん細胞を破壊するため、放射線治療の礎にもなっています。これらの研究は原子核物理学と医療応用の両面で大きな意義を持ちました。

ポロニウム（原子番号84）とラジウム（原子番号88）は、ピッチブレンド中の微量成分として存在するため、その単離には連続的な沈殿・再結晶・クロマトグラフィーが必要であった。キュリーは自作のエレクトロメータと膨大な試料量を組み合わせ、比放射能の上昇を指標に分離工程を最適化した。ラジウムの塩はBa²⁺と化学的に類似しているが、放射能測定により確実に追跡できた。結果として約8トンの鉱石から100 mg程度の純ラジウム塩を抽出し、そのスペクトル線と原子量を決定した。これにより原子が不変ではないというラザフォードらの理論を経験的に裏づけ、α線・β線・γ線の区別や崩壊系列の研究が加速した。また、高エネルギー線源としてのラジウムはがん治療、蛍光塗料、標準線源など多様な応用へ展開し、20世紀初頭の物理化学・医学に革命をもたらした。

Curieは比放射能を定量指標とした湿式分離プロトコルを確立し、Ba/Ra系の分配係数を利用したフラクショナルクリスタリゼーションによりRaCl₂を濃縮した。電離箱‐石英製電位計を用いた10⁻¹¹ Aオーダーの電流測定は、当時の計測限界を一桁更新し、後続の放射能標準化手法の原型となった。生成したRaCl₂は火炎分光および分光写真で青緑色線を呈し、原子量225±1を与えた。彼女のデータはラザフォード‐ソディの崩壊系列理論と整合し、α崩壊に伴うエネルギー放出が質量欠損と関連することを示唆した。さらに、ラジウム針による接触照射（Curie therapy）は20世紀前半の腫瘍学における標準手法となり、線量学（dosimetry）の体系化を促進した。これらの成果は核化学的手法、放射線生物学、安全規制（ラジウムガールズ事件を契機）へと波及し、現代のアイソトープ産業と医療物理の基盤を構築した。