在场的贝克勒尔给彭加勒提了一个问题。他说，射线是从阴极射线管的哪一个区域发出的。彭加勒说，X射线看来是从管子正对着阴极的区域发出的，就是玻璃管发出荧光的区域。贝克勒尔受到启发，当即产生了这样的猜测：X射线和荧光之间可能存在着某种联系，能够发出荧光的物质可能同时也可发出X射线。
例会结束后，贝克勒尔就开始了实验，他精心设计了一套研究方案：把照相底片用黑色的厚纸包严，使其不受阳光的作用，但可以受到X射线的作用，因为伦琴已经证明X射线可以穿过厚纸包层使照相底片感光。在照相底片包封附近放两块能发出荧光的材料，其中一块用一枚银币与纸封隔离，然后把它们拿到阳光下暴晒，使材料发出荧光。如果发荧光的物体可以产生X射线，那么底片上将留下明显不同的感光痕迹。贝克勒尔家中收藏有大量可以发出荧光和磷光的物质材料，他把它们分别拿出暴晒，进行实验。最初的实验得到的结果是否定的，照相底片没有感光，发荧光和磷光的物质并不同时发射X射线。后来，他重新选择氧化铀作为主攻对象，这次他发现照相底片感光了。1896年2月24日，他向法国科学院报告了这一发现，认为X射线与荧光有关。
尽管贝克勒尔已经找到了他所猜测的X射线与磷光物质之间的关系，但是他并没有中止实验。2月26日，当他进一步做实验时，凑巧碰上了连绵的阴雨，他只好把实验的东西原封不动地锁进抽屉。5天后，天放晴了，贝克勒尔继续中断的试验。一向严谨细心的他取出底片时，想预先检查一下实验品，没想到意外情况发生了：在没有阳光的情况下，底片不仅曝光而且上面又有很明显的铀盐的像。这说明铀本身在发光!第二天，又是科学院举行例会的时间，贝克勒尔在科学院的学术报告上公布了这一新发现。天然放射性的发现，标志着原子核物理学的开始。
此后，贝克勒尔一直继续他的研究工作，但是他只是着迷于铀，更确切地说是局限于铀，由于他认为发出辐射是铀的一种特殊性质，没有认识到这种性质的普遍性，在对铀做了全面的实验研究后，贝克勒尔对这种新的射线的兴趣逐渐减小了。尽管他的研究没有能够进一步深入下去，但是贝克勒尔所做的工作已经使人类的认识向微观领域又深入了一个层次，已经开拓了新的研究领域。科学界为了表彰他的杰出贡献，将放射性物质的射线定名为贝克勒尔射线。
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