Esses primeiros resultados pareciam muito importantes. Pierre Curie, que até esse momento apenas acompanhava o trabalho de Maria, resolveu abandonar suas outras pesquisas e dedicar-se totalmente, com sua esposa, a esse novo tema.
 

A partir desse instante (abril de 1898), a pesquisa de Maria e Pierre Curie foi guiada pela hipótese de que a emissão das radiações que estava estudando era uma propriedade atômica, peculiar a certos elementos químicos. Certos elementos emitem, espontaneamente, essas radiações (são radioativos), e essa propriedade não é afetada pelo seu estado físico ou químico. Não se trata de um fenômeno parecido com a fosforescência, porque não é modificado quando se ilumina o objeto ou quando ele é mantido no escuro. Era rejeitada, assim, a hipótese da hiperfosforescência, que Becquerel adotava. Outros elementos não são radioativos e não podem adquirir a capacidade de emitir radiações. Esse era o conceito básico de radioatividade, proposto por Maria e Pierre Curie em meados de 1898. Posteriormente, essa hipótese teve que ser modificada (existe a radioatividade artificial, induzida), mas isso só ocorreu muitos anos depois.

        Os minerais mais radioativos de urânio estudados por Maria Curie foram algumas amostras de pechblenda (mineral de óxido de urânio), que chegavam a ser quatro vezes mais ativas do que o urânio metálico. Baseando-se em sua hipótese, Maria e Pierre Curie suspeitaram que esses minerais poderiam conter uma pequena quantidade de outra substância fortemente ativa, e resolveram tentar isolar essa substância dos minerais, por processos químicos. Tratava-se, evidentemente, apenas de uma hipótese, que poderia se mostrar falsa. No entanto, eles resolveram investir todo seu esforço, durante os meses seguintes, nessa pesquisa.

         Note-se que o elemento procurado não era nenhum dos conhecidos até então pela ciência, pois Maria já havia testado todos eles. Tratava-se, portanto, de uma tentativa extremamente ambiciosa: descobrir um novo elemento, desconhecido pelos químicos, mas existente em minerais conhecidos, e fazer isso através do estudo da radioatividade. Se a hipótese fosse confirmada, seria um resultado muito importante. Mas havia também o risco de um fracassso completo, porque afinal de contas não se sabia quase nada sobre a radioatividade.

        Maria Curie se dedicou à separação dos elementos da pechblenda, utilizando os procedimentos químicos conhecidos e testando a radioatividade de cada substância isolada do mineral. Depois de muitos processos de separação, obteve um material que se comportava como o bismuto, sob o ponto de vista químico, mas que era fortemente radioativo – enquanto o bismuto comum não emitia radiações. Seria preciso aceitar que havia um novo elemento, desconhecido, misturado com o bismuto, ou então que uma mesma substância podia ser radioativa ou inativa, em situações diferentes. Guiados pela hipótese de que a radioatividade é uma propriedade atômica de certos elementos, os Curie estavam convencidos de que havia algo novo misturado ao bismuto. Mas como separá-lo? Como provar que existia ali um novo elemento?