Продолжая работу отца и деда, Анри Беккерель изучал явления фосфоресценции, сосредоточившись на солях урана. Чтобы обнаружить их излучение, он пользовался фотографическими пластинками и солнцем в качестве источника света. Собираясь выступать в Академии наук в начале марта 1896 года, в конце февраля он приготовил соли урана на пластинке. Он использовал серебряную эмульсию, которую покрывал черной бумагой, чтобы она не засветилась под солнечным светом, а облучалась лишь лучами, испускаемыми солями. Но в среду 26 февраля и в четверг 27-го в Париже было пасмурно, и Беккерель хранил пластинку с солями в ящике. Несмотря на то что в следующие дни также не было солнца, исследователь решил проявить пластинку, столько дней пролежавшую без воздействия солнечного света. Ученый ожидал, что результат будет очень размытым. Однако оказалось, что оттиск на фотографической пластинке четкий. Он повторил эксперимент, чтобы подтвердить, что излучение имеет место без всякого осветительного процесса, который бы активизировал фосфоресценцию, и обнаружил: соли продолжают излучать, пролежав несколько дней в темноте. Беккерель представил результаты на следующем заседании Академии наук, к изумлению представителей европейских лабораторий. Исследователь тогда предположил, что это явление — фосфоресценция, но не обычная, которую до этого обнаруживали для солей урана, а «невидимая и долгосрочная».
Беккерель повторил свои эксперименты с помощью прибора, который зафиксировал бы излучение с большей скоростью и точностью, чем это можно было сделать с помощью фотографической пластинки. Чтобы проверить, ионизируют ли лучи воздух, то есть высвобождают ли они заряд и делают его проводником, он решил применить электроскоп — прибор, использованный в первых исследованиях по электростатике. Этот прибор, показанный на рисунке, состоит из стержня-проводника с пластинками из золота на конце, который помещается в сосуд. Чтобы узнать, содержит ли тело электрический заряд, надо лишь дотронуться им до верхнего конца стержня. Если тело заряжено, то заряд проходит через него к золотым пластинкам, которые отталкиваются из-за одноименного заряда. Чем больше заряд, тем больше угол отклонения.
Беккерель выяснил, что заряженный электроскоп разряжается из-за действия урановых лучей. Это говорило о том, что они ионизируют (заряжают) среду (воздух), в которой распространяются. Однако попытка количественно оценить излучение оказалась неудачной: удалось лишь установить связь между углом отклонения пластинки из золота от главной оси электроскопа и временем излучения. Но результаты не были воспроизводимыми, поскольку изменение угла было величиной, которая не предполагала точного измерения.
Далее он выяснил, что соли урана в растворе также дают излучение, а это означало, что оно не является исключительным свойством твердых тел. Хотя Беккерель настаивал на том, чтобы назвать новое явление «невидимой фосфоресценцией» (три семейных поколения, занимавшихся фосфоресценцией, должно быть, оказывали свое влияние), каждый раз было все более очевидно, что оно совсем не связано с тем, что изучали его отец и дед. На самом деле у них было больше схожести с рентгеновскими лучами, поэтому Беккерель решил проверить, подвержены ли урановые лучи, по аналогии с рентгеновскими, явлению рассеивания (изменению направления распространения при столкновении с препятствиями на своем пути) и поглощаются ли они различными веществами. Ученый заметил, что их поведение не похоже на поведение рентгеновских лучей (сегодня мы знаем, что «урановые лучи» включают в себя различные типы излучения, одно из которых похоже на рентгеновское, а другие нет; сложность урановых лучей была неизвестна Беккерелю).
Ученый также исследовал вопрос о том, что отвечает за излучение: химический элемент уран или одно из его соединений. Он заметил, что явление проявляется как у солей желтого цвета, для которых характерна фосфоресценция и в которых степень окисления урана +6 (то есть он потерял 6 электронов из оболочки), так и у зеленых солей со степенью окисления +4, для которых фосфоресценция нехарактерна. Затем Беккерель измерил излучение чистого урана, пользуясь фотографическим методом, с которого он начал свои исследования, и выяснил, что оно наиболее интенсивное из всех анализируемых. Это подтвердило то, что речь идет об атомном явлении, связанном с элементом — ураном.