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En el año 1896 realizaba pruebas en su laboratorio intentando producir fluorescencia haciendo incidir luz solar sobre muestras de sulfato de potasio y de uranio; hizo un descubrimiento fundamental el cual iba a originar un gran avance en el conocimiento de las propiedades del núcleo atómico.
Becquerel trataba de obtener una imagen, mediante fluorescencia de rayos X, de una pieza de plata colocada entre el cristal fluorescente y una película. Al cabo de varios días nublados, reveló la película pensando que su experimento había fracasado, sin embargo y para su sorpresa en la película se veía una zona más oscura con la forma de la pieza de plata. Esto obviament era asombroso, ya que hasta ese momento no se conocía ningún sólido capaz de emitir energía,e indicaba que el compuesto había emitido una radiación capaz de atravesar el papel negro y la plata. Con gran interés comenzó a investigar esta radiación, descubriendo que no se trataba de rayos X, ya que los rayos que está estudiando podían ser desviados por un campo magnético, lo cual indicaba que se componía de partículas cargadas. Ensayo tras ensayo, comprobó que estos rayos se producían siempre que se usara algún compuesto de uranio. Estos rayos podían ionizar gases y velar placas fotográficas protegidas. Becquerel había descubierto lo que posteriormente Marie Curie llamaría radioactividad.
Sin embargo, como estos rayos no eran tan espectaculares como los rayos X, no llamaron tanto la atención, hasta que Curie se interesó un año más tarde en el tema. Por este descubrimiento Becquerel ganó el premio Nobel de Física en 1903 que compartió con Pierre y Marie Curie.
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