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放射性元素(Radioactive
Element)是指原子核不穩定，會自發性地放出電離輻射而衰變成另一種核素，這種特性稱為放射性。衡量放射性的國際單位為貝克勒，傳統單位則為居里。原子核不穩定、具有放射性的核素稱為放射性核素或放射性同位素，其衰變時放出的能量稱為衰變能量。放射性元素的原子核會放射出游離輻射(β粒子、α粒子等次原子粒子和X射線、γ射線等高能光子)，衰變成其他元素。
放射性元素的發現實際上早於放射性的發現。1789年德國化學家馬丁·克拉普羅特在瀝青鈾礦中發現了鈾，1828年瑞典化學家永斯·貝采利烏斯在釷石中發現了釷。但當時「放射性」這一性質並不為人們所知，因此鈾和釷在發現後的很長一段時間內都只被看作是一般的重金屬元素。
1895年德國物理學家威廉·倫琴發現X射線後，激起許多學者開始研究這類新的、具有巨大穿透能力的放射線現象，放射性才被發現。
1896年，法國物理學家亨利·貝可勒在研究鈾鹽時發現了放射性。他發現鈾鹽在黑暗中會發出一種奇怪的光，這種光稱為「鈾光」。貝可勒進一步研究發現，這種光並非來自外界，而是鈾鹽本身發出的。他還發現，鈾鹽的放射性是一種原子核的性質，與化學元素的性質無關。
1897年，歐尼斯特·拉塞福和約瑟夫·湯姆森通過在磁場中研究鈾的放射線偏轉，發現鈾的放射線有帶正電，帶負電和不帶電三種，分別被稱為α射線，β射線和γ射線，相應的發出β射線衰變過程也就被命名為β衰變。
1898年法國與波蘭科學家居禮夫婦從瀝青鈾礦樣本中發現釙和鐳後，創造了「放射性」(radioactivity)一詞來定義這種重元素發射高能游離輻射的性質(後來該詞的定義被擴展到所有元素)。在之後的幾年間科學家們陸續發現了多種放射性元素。
1899年法國科學家德比埃爾內從鈾礦渣中分離出放射性元素錒。
1900年，德國物理學家弗里德里希·道恩發現，含鐳化合物會散發一種放射性氣體。由於該氣體的光譜與氬、氪和氙相似，且該氣體呈化學惰性，因此威廉·拉姆齊於1904年猜測，該氣體可能是屬於惰性氣體一族的新元素。該元素後來被命名為氡。
1917年，兩組科學家奧托·哈恩和莉澤·邁特納，以及德國和英國的弗雷德里克·索迪和約翰·克蘭斯登分別從瀝青鈾礦中分離出鏷。
1937年，義大利物理學家卡羅·佩里爾和埃米利奧·塞戈雷從曾被用作迴旋加速器偏向板的鉬箔中分離出了第43號元素鎝。它是第一個用人工合成的方法製得的放射性元素，因此命名為technetium(來自希臘文τεχνητός，意為「人造」)。但1962年科學家發現自然界中也有痕量鎝的存在。
1939年法國物理學家瑪格麗特·佩里在純化錒-227時在其衰變產物中發現了鍅。鍅是最後一種從自然界中發現而不是在實驗室中人工合成出的元素。儘管有些元素最初是先藉由人工合成的方式發現，但之後才發現它們也存在於自然界中，例如鈽、砈、錼、鎝和鉕。
1940年，戴爾·科爾森、肯尼斯·羅斯·麥肯西和埃米利奧·塞戈雷在迴旋加速器中以α粒子轟擊鉍原子合成出砈。同年，埃德溫·麥克米倫和菲力普·艾貝爾森以中子照射鈾原子合成出了93號元素錼，這是第一種被發現的超鈾元素(原子序大於92號鈾的元素)。隔年格倫·西奧多·西博格、約瑟夫·甘迺迪和埃德溫·麥克米倫合成出第二個超鈾元素鈽(原子序94)。
1944年，格倫·西奧多·西博格和阿伯特·吉奧索等人合成並分離出96號元素鋦和95號元素鋂，它們是首批完全由人工合成的方式製得的純人造元素，不存在於自然界中。
1945年，雅各布·馬林斯基、勞倫斯·格蘭丹寧和查爾斯·科耶爾在分析石墨反應爐中鈾燃料的分裂產物時發現了鉕，填補了週期表中61號元素的空白，至此所有原子序小於鈾的元素都已被發現。
