Tras una doble titulación, el siguiente reto era la obtención del doctorado. Hasta ese momento, la única mujer que había logrado doctorarse era la alemana Elsa Neumann.
El primer paso era la elección del tema de su tesis. Tras analizarlo con su marido, ambos decidieron centrarse en los trabajos del físicoHenri Becquerel, que había descubierto que las sales de uranio transmitían unos rayos de naturaleza desconocida. Este trabajo estaba relacionado con el reciente descubrimiento de los rayos X por parte del físico Wilhelm Röntgen. Marie Curie se interesó por estos trabajos y, con la ayuda de su esposo, decidió investigar la naturaleza de las radiaciones que producían las sales de uranio.
Dirigida por el propio Becquerel, el 25 de junio de 1903 Marie defendió su tesis doctoral, titulada Investigaciones sobre las sustancias radiactivas, ante un tribunal presidido por el físico Gabriel Lippmann. Obtuvo el doctorado y la mención cum laude.
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