19世纪末放射性衰变的发现，以及20世纪初“同位素”的分离，将门捷列夫的元素周期表置于科学家们的怀疑之中。上述发现不仅恰逢亚原子物理学的诞生，而且也对亚原子物理学的诞生和原子模型——假定原子由质子、中子和电子组成——的发展有一定贡献。“同位素”一词由弗雷德里克·索迪（Frederick Soddy）于1913年杜撰，用于阐释一个因制备放射元素而产生的化学疑问。研究放射性的化学家们试图将这些新发现的“元素”纳入周期表体系中。然而，他们似乎进退两难：如果选择遵照门捷列夫对元素的定义，为每个元素规定一个字母，那么他们将不得不重新修订周期表以便为这些新元素安排位置，而这从另一层意义上也违反了门捷列夫的已有的传统。德法扬斯（De Fajans）支持修订原周期表，他注意到，新的物种具有不同的性质，因而应该作为不同的元素被对待。相反，弗里德里希·帕内特（Frieedrich Paneth）及其同事乔奥格·德赫维西（Georg de Hevesy）则认为尽管原子量不同，但这些元素化学特征相同，乔奥格·德赫维西曾证明不能用任何化学方法从铅中分离出放射铅。门捷列夫的体系从根基处产生动摇：不仅化学性质不依赖于原子量，而且更重要的是，一个元素可以包含一种以上原子。通过发明“同位素＂（同一位置的意思）一词，上述化学难题有了答案，或者至少得到解决，这表明化学家们选择保全元素周期表。门捷列夫将元素而不是原子的化学特征置于化学的核心，这一选择得到延续，付出的代价只是在元素周期律的表述上作了稍许修改，元素特征取决于原子序数（核电荷数，对应于中性原子中的电子数目）而不是原来所说的原子量。不可否认现代化学是“电子性的”，因为元素的化学性质取决于原子外层的电子状态，即它们的能量水平和自旋。类似地，对于化合物，决定其化学性质的关键因素是参与键合的电子。但是20世纪原子物理学的发展需要把元素概念从化学中废除吗？

       从现代的角度看，使用原子序数而不用原子量来界定元素是显而易见的，因为我们知道原子序数Z，即核质子数，与原子量大约成正比。具有相同原子序数的原子核中子数的变化产生了同一元素的同位素。由于中性原子中的电子数与核质子数（原子序数）是相同的，所以化学性质很大程度上取决于电子数，也很自然地得出化学性质的周期性应该反映原子序数，因而也应与原子量有类似的关系。然而，这个解答对于20世纪初的化学家来说并非那么显而易见，化学家们为了保全元素周期表和周期体系，他们似乎不得不抛弃门捷列夫对元素的定义。

       门捷列夫的定义使化学秩序和物理秩序之间形成了一个默认的划分，这个划分法受到了于尔班（Urbain）的抨击，他是支持IUPAC（纯粹与应用化学国际联合会）新元素定义的化学家之一，另外还有帕内斯等人。当卢瑟福用射线轰击氮或者磷时产生的只是一个物理现象，于尔班对于这种看法持反对意见，所以他拒绝接受把放射性同位素置于元素周期表中与非放射性元素同等的位置。而且，放射性衰变现象说明，即便是拉瓦锡在解释元素时所基于的“简单实体”这个概念都不再有效。于尔班把放射性衰变解释为一种形式的分解，由于“简单实体”在α粒子轰击实验中不会幸存，所以不可以把它们看作是真正的简单实体。然而，门捷列夫的元素概念却有办法逃脱这种攻击。因为如前所述，元素属于一种概念，是一种抽象，所以门捷列夫的元素能够抵挡得住现代原子物理学仪器的最强进攻。

       总而言之，尽管关于基本概念的决策问题存在许多分歧，而且也是作出这种决策时会经常出现的情况，但是以同位素命名的化学家们延续了门捷列夫的赌注，再次确认把元素作为独特的化学实体，而现在的元素定义与构成物质的亚原子粒子相关。显然，元素概念在进行修正时必须参考以下假说：所有原子都是由相同质子、中子和电子组成，而且这些粒子的组合能够因碰撞或放射性衰变而发生变化。但是，这不意味着元素作为一个真实而有意义的化学实体的终结。

       弗里德里希·帕内特在1931年以“化学元素的认识论地位”为标题作的报告中清晰界定了化学元素的认识论地位。在报告中，他提出了两个问题。第一个同题回顾了亚里士多德的“真正的混合体”问题：“在何种意义上我们可以假定元素永久存在于化合物中？”回顾元素和原子概念的历史，他的答案是明确的：由于化学关心的是物质的第二品质特质，化学家们应该假定特质永久存在于化合物中。他提议把水久存在的物质命名为“基础物质”，而保留“简单物质”这个词语用来指展现与抽象的基础物质相关的现象学表现的物质，因此延续了门捷列夫的元素概念上的划分。帕内斯的第二个问题是：“化学真的应该并将会渐渐融入物理学中吗？”他在这里说的是把化学还原至物理学的可能性，显然一些物理学家已经预测了这种发展趋势。