1898年法国物理学家贝可勒尔（Antoine Henri Becquerel）发现含铀矿物质能放射出一种神秘射线，但未能揭示出这种射线的奥秘。玛丽和她的丈夫彼埃尔·居里（Pierre curie）共同承担了研究这种射线的工作。他们在极其困难的条件下，对沥青铀矿进行分离和分析，终于1898年7月和12月先后发现两种新元素。
为了纪念她的祖国波兰，她将一种元素命名为钋（polonium），另一种元素命名为镭（Radium），意思是"赋予放射性的物质"。为了制得纯净的镭化合物，居里夫人又历时四载，从数以吨计的沥青铀矿的矿渣中提炼出1O0mg氯化镭，并初步测量出镭的相对原子质量是225。这个简单的数字中凝聚着居里夫妇的心血和汗水。1903年6月，居里夫人以《放射性物质的研究》作为博士答辩论文获得巴黎大学物理学博士学位。同年11月，居里夫妇被英国皇家学会授予戴维金质奖章。12月，他们又与贝可勒尔共获1903年诺贝尔物理学奖。
1906年，彼埃尔·居里遭车祸去世。这一沉重的打击并没有使她放弃执著的追求，她强忍悲痛加倍努力地去完成他们挚爱的科学事业。她在巴黎大学将丈夫所开的讲座继续下去，成为该校第一位女教授。1910年，她的名著《论放射性》一书出版。同年，她又与别人合作分析纯金属镭，并测出它的性质。她还测定了氧及其他元素的半衰期，发表了一系列关于放射性的重要论著。鉴于上述重大成就，1911年她又获得了诺贝尔化学奖，成为历史上第一位两次获得诺贝尔奖的伟大科学家。
这位饱尝科学甘苦的放射性科学的奠基人，因多年艰苦奋斗积劳成疾，患恶性贫血症（白血病）于1934年7月4日不幸与世长辞，她为人类的科学事业，献出了光辉的一生。
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