1898年法國物理學家貝可勒爾（Antoine Henri Becquerel）發現含鈾礦物質能放射出一種神秘射線，但未能揭示出這種射線的奧秘。瑪麗和她的丈夫彼埃爾·居里（Pierre curie）共同承擔了研究這種射線的工作。他們在極其困難的條件下，對瀝青鈾礦進行分離和分析，終於1898年7月和12月先後發現兩種新元素。
為了紀念她的祖國波蘭，她將一種元素命名為釙（polonium），另一種元素命名為鐳（Radium），意思是"賦予放射性的物質"。為了製得純凈的鐳化合物，居里夫人又歷時四載，從數以噸計的瀝青鈾礦的礦渣中提煉出1O0mg氯化鐳，並初步測量出鐳的相對原子質量是225。這個簡單的數字中凝聚着居里夫婦的心血和汗水。1903年6月，居里夫人以《放射性物質的研究》作為博士答辯論文獲得巴黎大學物理學博士學位。同年11月，居里夫婦被英國皇家學會授予戴維金質獎章。12月，他們又與貝可勒爾共獲1903年諾貝爾物理學獎。
1906年，彼埃爾·居里遭車禍去世。這一沉重的打擊並沒有使她放棄執著的追求，她強忍悲痛加倍努力地去完成他們摯愛的科學事業。她在巴黎大學將丈夫所開的講座繼續下去，成為該校第一位女教授。1910年，她的名著《論放射性》一書出版。同年，她又與別人合作分析純金屬鐳，並測出它的性質。她還測定了氧及其他元素的半衰期，發表了一系列關於放射性的重要論著。鑒於上述重大成就，1911年她又獲得了諾貝爾化學獎，成為歷史上第一位兩次獲得諾貝爾獎的偉大科學家。
這位飽嘗科學甘苦的放射性科學的奠基人，因多年艱苦奮鬥積勞成疾，患惡性貧血症（白血病）於1934年7月4日不幸與世長辭，她為人類的科學事業，獻出了光輝的一生。
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