1905年3月，爱因斯坦在德国《物理年报》上发表了题为《关于光的产生和转化的一个推测性观点》的论文。他认为对于时间平均值，光表现为波动；对于时间瞬间值，光表现为粒子性。这是历史上第一次揭示微观客体波动性和粒子性的统一，即波粒二象性。这一科学理论最终得到了学术界的广泛接受。
超导
低温世界是一个魔术般的世界，把一束鲜花放在液态氮中一浸，拿出来向地上一摔，鲜花就会像玻璃一样破碎：把一只橡皮球放在液态氮里一浸后拿出，能像铃铛一样敲响；水银在低温下冻得比铁还硬，可以用锤子把它钉在墙上；在液氮中冻硬的面包，在漆黑的房间里竟能发出天蓝色的光辉……昂纳斯领导的实验室就是这样一个美丽的童话世界，同时，它也是世界上最冷的地方。虽然莱顿城里鲜花常开，但是实验室里制造出来的低温，比南极或北极的最低温度（-88℃）还要低几倍。
当时，科学家已经能把除了氦气以外的气体全部都变为液态。利用液态氢，已获得-253℃的低温，昂纳斯决心获得更低的温度。但是，要使氦气变成液态，困难还很大。例如在液体氦的温度下，连空气都会变成固体，如果不小心与空气接触，空气便会立刻在液体氦的表面上结成一层坚硬的盖子。不过，昂纳斯是不会被这点困难吓倒的。
低温实验室并不是一个拥有良好环境的地方，实验室里充满了管道，还有隆隆作响的真空泵。因为低温不是一下子就能获得的。必须沿着温度的台阶一步一步向下走，温度越低就越困难。昂纳斯先用液化氯甲烷达到-90℃，用乙烯达到-145℃，用氧气达到-183℃，用氢气达到-253℃。终于在1908年成功地实现了最后一种永久气体——氦气的液化，得到了-269℃的低温。在这以后，他用液氦抽真空的方法，得到-272℃。
这个温度属于超低温，当时世界上只有莱顿大学的低温实验室可以得到这样的低温。昂纳斯和他的同伴在这得天独厚的条件下进行极低温度下的各种现象的研究。他们发现水银、铅、锡一般降温到该物质的特性转变点以下时，电阻会突然消失，变成超导电性物体。这就是说，在一个超导线圈中一旦产生了电流就会周而复始地流下去。因为电阻已经消失，电流不会在流动中衰减。昂纳斯把一个铅制的线圈放在液体氦中，铅圈旁放一块磁铁，突然把磁铁撤走，根据法拉第的电磁感应，铅圈内便产生了感应电流。果然，在低温的条件下，电流不断地沿着铅圈转起来，就像一匹不知疲倦的马一样。
1911年，从莱顿大学低温实验室里终于传出惊人的消息：水银在-269℃的条件下，它的电阻消失了！这种现象物理学称为超导现象。1913年，昂纳斯因为这项重大的发现获诺贝尔奖。
原子核
在19世纪末，物理学上爆出了震惊科学界的“三大发现”：1895年，德国物理学家伦琴发现了X射线，同一年，法国物理学家贝克勒尔发现了天然放射性；1897年，英国物理学家汤姆逊发现了电子。这些伟大发现激励了卢瑟福，使他决心对原子结构进行深入研究。
1906年，卢瑟福开始研究原子内部结构。他认为，要了解原子内部的情形，最好的办法是把它砸开。他们选择α粒子的核作为砸开原子的子弹。射击α粒子的枪是极少量的镭。镭是放射性元素，它连续不断地放射出α粒子。镭放在一个仅开一个小口的铅容器里面，让α粒子射出。
1909至1911年间，卢瑟福和他的合作者们做了用α粒子轰击金箔的实验，然而实验却得到了出乎意料的结果。绝大多α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，少数粒子却发生了较大的偏转，并且有极少数粒子偏转角超过了90°α有的甚至被弹回，偏转角几乎达到180°。这种现象叫做α粒子的散射。实验中产生的α粒子大角度散射现象，使卢瑟福感到惊奇。因为这需要有很强的相互作用力，除非原子的大部分质量和电荷集中到一个很小的核上，否则大角度的散射是不可能的。
在反复实验研究的基础上，卢瑟福于1911年公布了他的原子模型构想：原子里有一个很重的中心，叫做核。离核很远，绕着核飞快旋转的是电子，每一个电子都在一种确定的轨道上运行着。卢瑟福拿原子的结构跟太阳系比。他说，原子核是原子的中心，正像太阳是太阳系的中心一样。电子隔着很远的距离沿轨道绕着中心旋转，正像行星隔着很远的距离沿着轨道绕着太阳旋转一样。
经过进一步的实验，卢瑟福提出了一个更完整的原子模型：原子的中央是由很重的带正电的质子构成的核，原子重量几乎都集中在原子核上，远离这个核的是很轻的带负电的电子。在此基础上，卢瑟福提出原子的有核结构。1919年，卢瑟福在用α粒子轰击氮原子核的实验的时候，确定了质子的存在。
1932年，英国物理学家查德威克在研究玻特和贝克尔发现的穿透力很强的射线中确定了中子的存在。这样原子核是由质子和中子构成则被人们所公认，并且不同类的原子核内质子数是不同的；每一个质子带一个电位的正电荷，中子不带电。从此，原子核结构的序幕被拉开了。
中子
1920年，英国物理学家卢瑟福曾在著名的贝克尔演讲中作出“原子核内可能存在着质量与质子质量相同的中性粒子”的理论预言。为了检验卢瑟福的假说，卡文迪什实验室从1921年就开始了实验探索工作。
接手这项工作的正是查德威克。1923年，他得到卢瑟福的赞同，用游离室和点计数器作为检测手段，尝试在大质量的氢化材料中检测γ辐射的发射。在初步作了这些尝试之后，查德威克考虑到中子只有在强电场中形成的可能性，但没有合适的变压器可用。正当查德威克着手进一步开展探讨中子的研究时，柏林的玻特和巴黎的约里奥·居里夫妇相继发表了他们的实验结果。
从1928年起，德国物理学家玻特和他的学生贝克尔就开始用钋发射的α粒子轰击一系列轻元素，发现α粒子轰击铍时，会使铍发射穿透能力极强的中性射线，强度比其他元素所得要大过十倍。用铅吸收屏研究其吸收率，证明这种中性辐射比γ射线还要硬。1930年，他们率先发表了这一结果，并断定这种贯穿辐射是一种特殊的γ射线。
同时，在巴黎居里实验室，法国物理学家约里奥·居里夫妇也正进行着类似的实验。1932年1月，他们重复了玻特和贝克尔的实验，对这种射线进行了研究。他们在铍板和测量仪器之间放置各种物质。结果发现，把石蜡板插入后，仪器所记录到的效应要比插入前强得多；而且记录到的是质子。没有石蜡板时，是不带电的射线。这表明石蜡在这种铍射线照射下，会发射出大量质子。他们肯定了石蜡发出的是质子流，遗憾的是，他们没有摆脱玻特的错误解释，也把铍辐射看成是γ射线。1月18日，他们发表了相关实验结果和评论。由于他们对理论的轻视，使他们白白失去了一次发现中子的机会。
约里奥·居里夫妇的实验结果引起了查德威克的注意，但他并不同意居里夫妇的解释。在铍辐射的研究中，查德威克用这种射线先后辐射轻、重不同的几种元素，结果发现射线的性质与通常的γ射线有所不同。当这种射线轰击氢原子和氮原子时，打出了一些氢核和氮核。由此，他断定这种射线不可能是γ射线。因为通常的γ射线照射到物质上时，物质密度越大，对γ射线吸收得越厉害，而这种射线性质刚好相反，密度越小的物质越容易吸收它。
当查德威克用这种射线轰击氢原子核时，发现它被反弹回来，说明这种射线是具有一定质量的中性粒子流。通过对反冲核的动量测定的结果，再利用动量守恒定律进行估算，确定出这种射线中性粒子的质量几乎与质子的相同。查德威克这时才意识到原来玻特和贝克尔最先观察到的这种辐射应当就是卢瑟福所提出的质子与电子的复合体。他沿用了美国化学家哈金斯的中子这个名称作为对这种粒子的正式命名，并在1932年的《自然》杂志上发表了《中子可能存在》的论文。
激光
激光是神奇的，但它不是普罗米修斯从天上偷来的圣火。激光是人造的，但它不是常人随心所欲可以制造出来的。激光的发现以及到最后被广泛运用，是众多科学家付出艰辛努力的结果。
1958年，美国物理学家查尔斯·汤斯和他的同事肖洛在《物理评论》杂志上发表了他们关于《受激辐射的光放大》的重要论文，文中称：物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激励时，都会产生不发散的强光——激光。这一理论奠定了激光发展的基础。这项研究成果发表后，汤斯和肖洛并没有继续进行研究和实验，这项研究成果最终被美国加利福尼亚州休斯航空公司实验室里一个名不见经传的年轻研究员——西奥多·梅曼利用了。
汤斯曾预言，微波激射器的原理，在一定的条件下可以产生激光。梅曼决心亲自实践这一预言。他花了两年时间从事这方面的研究，还动手制作有关的装置，选择各种工作物质。他终于选定了红宝石晶体（在刚玉中掺入铬离子）作为工作物质。
这样的选择在当时是一个颇为大胆的尝试，因为当时的理论界对红宝石晶体发光的可能性是持否定态度的。但是梅曼坚定了自己的选择。他通过实验测量了红宝石晶体的量子效率，分析了红宝石晶体达到能级粒子数反转的条件。他将红宝石晶体材料做成一个直径1厘米、高2厘米的圆柱体，将两端仔细磨成平行的平面，并镀上了银，构成谐振腔。他把它嵌入一个螺旋形的脉冲闪光灯内，使红宝石晶体接上了泵浦源。这样，他完成了世界上第一台即将产生激光的——被他称为“受激辐射光放大器”的装置。这个装置就是世界上出现的第一台激光器。
奇迹终于出现了，1960年5月的一天，梅曼和往常一样来到实验室。他打开了泵浦源的开关，让脉冲氙灯的电能馈入红宝石中，此时，这台装置中发射出了第一束闪光。这束光，色单纯，所有的波都在同一个方向上；发射到几千千米以外也不会因发散而失去作用；聚焦到某一点上可以达到极大的能量，甚至可以超过太阳表面的温度值。这束光，就是人类有史以来所获得的第一束最特殊的光——激光！
梅曼平静地写下了实验记录：红色，波长694.3纳米。1960年5月15日，梅曼宣布了这个记录。这一束在试验室第一次制得的人造激光，虽然仅持续了3亿分之一秒的对间，但它却标志着人类文明史上一个新时刻的来临。
金刚石
印度是世界上最早发现金刚石的国家。大约在2000年前，位于今印度安得拉邦的戈尔康达王国，在克里希纳河、彭纳河及其支流的砾石层中，曾大规模地开采过金刚石。大约在1700多年前，古印度的全刚石曾随着佛教徒传入中国，金刚石这中文名称，就是在那时形成的。一直到18世纪中叶以前，在近2000年的漫长时间里，印度的戈尔康达是世界上金刚石的主要产地。可是，印度的金刚石数量有限，产量很低。当世界上其他金刚石产地被开发时，它就几乎不再为人所知了。
17世纪末巴西在米纳斯吉拉斯州首次发现了金刚石，随后又在皮奥伊州找到了含有金刚石的沙砾层。由于它的产量比印度大得多，因而迅速取代了印度而成为当时世界上的主要金刚石产地。巴西占据产地宝座不到200年就让位给了南非。
南非金刚石的发现是从一个小女孩开始的。在奥兰治河畔霍普敦附近荒凉的河滩上，一个女孩子从沙砾丛中拣到了一块亮晶晶的小石子。这块小石子就成为孩子们的玩物。1867年，这块晶莹又闪着异彩的石子，吸引了一个来此访友的农民的注意。他找人进行鉴别，发现竟是一块金刚石。但这被认为是一个偶然事件。
第二年在瓦尔河两岸又发现了一些金刚石。1869年3月，一颗价值25000英镑的大金刚石被发现，引起了轰动。然而最初的开采只不过是一些人带着家人或助手，来到河滩上，用铲子、木桶和筛子等简单工具进行筛选。在1870至1871年，南非陆续发现了好几个富含金刚石的地方。这样，南非就变成了世界的主要金刚石产地。
除了南非，世界上又陆续发现了一些金刚石产地，诸如扎伊尔、原苏联、澳大利亚等等。由于科学的日新月异，现代地质找矿理论的巨大指导作用以及各种先进仪器的巨大威力，使人类发现了越来越多的金刚石矿藏。
磷
17世纪时，盛行着炼金术，据说只要找到一种聪明人的石头——哲人石，便可以点石成金，让普通的铅、铁变成贵重的黄金。炼全术家仿佛疯子一般，采用稀奇古怪的器皿和物质，在幽暗的小屋里，口中念着咒语，在炉火里炼，在大缸中搅，朝思暮想寻觅点石成金的哲人石。
当时，德国汉堡有一个想发财的商人名叫布兰德，千方百计地寻找生财之道。当他偶尔听人说，从人的尿液里可以制造出黄金或是能够点石成金的宝贝时，就决心尝试一番。于是，他偷偷地收集了大量的尿液，一点一点地慢慢蒸干后，又胡乱的加上各种各样的东西，今天用煮的办法，明天又用烧烤的办法，一次一次地干下去。
