Конец ХГХ в. ознаменован двумя выдающимися открытиями. В 1895 г. В.К. Рентген обнаружил новый, неизвестный до этого вид излучения, который он назвал Х-лучами (впоследствии - рентгеновские лучи). В 1896 г. А. Беккерель установил, что уран самопроизвольно испускает невидимые лучи. Это явление было названо радиоактивностью, а излучение - ионизирующим излучением. Одновременно установлено, что оба вида излучения обладают способностью ионизировать атомы и молекулы и приводить их в возбужденное состояние. Вследствие этого возбужденные атомы и молекулы приобретают новые свойства, в частности способность вступать в реакции и образовывать ранее несвойственные им соединения.
Выдающийся английский физик Э. Резерфорд в 1899 г. открыл α-и β-излучения при распаде радионуклидов. В дальнейшем он создал теорию распада радиоактивных веществ и теорию планетарной модели строения атома (1911). В последующие годы исследованы реакции, проходящие в различных химических элементах при их бомбардировке α- и β-частицами. В 1918 г. Э. Резерфорд установил, что при облучении α-частицами атомов азота образуются атомы кислорода, т.е. впервые открыта возможность искусственных ядерных превращений одних химических элементов в другие.
В 1930 г. обнаружено, что при бомбардировке ядер бериллия, лития и бора наряду с протонами образуется особый неизвестный вид излучения, названный вначале бериллиевыми лучами, так как при использовании бериллия оно было особенно интенсивным. Ф. Жолио-Кюри, изучавший это излучение, пришел к выводу, что оно представляет собой элементарные частицы, не имеющие заряда и обладающие высокой проникающей способностью, так как они не притягиваются и не отталкиваются ядрами облучаемых атомов. Английский физик Дж. Чедвик подтвердил, что это излучение - нейтральные частицы, обладающие массой очень близкой к массе протонов. Он назвал эти частицы нейтронами. Так было сделано одно из крупнейших открытий в области атомной физики - открытие нейтрона.