Junto con Pierre Curie y Henri Becquerel, Marie fue galardonada con el Premio Nobel de Física en 1903, "en reconocimiento de los extraordinarios servicios rendidos en sus investigaciones conjuntas sobre los fenómenos de radiación descubierta por Henri Becquerel". Fue la primera mujer que obtuvo tal galardón. Les dieron 15.000 dólares, parte de los cuales lo utilizaron para hacer regalos a sus familias y en comprarse una bañera. Un tiempo después Pierre obtuvo una cátedra en la Sorbona. La fama les abrumó y se concentraron en sus trabajos. En 1904 tuvo su segunda hija, Eve, pero antes había tenido un aborto, probablemente producido por la radioactividad.
El 19 de abril de 1906 ocurrió una tragedia: Pierre fue atropellado por un carruaje de seis toneladas, murió sin que nada se pudiera hacer por él. Marie quedó muy afectada, pero quería seguir con sus trabajos y rechazó una pensión vitalicia. Además asumió la cátedra de su marido, y fue la primera mujer en dar clases en la universidad en los 650 años transcurridos desde su fundación.
En 1910 demostró que se podía obtener un gramo de radio puro. Al año siguiente recibió el Premio Nobel de Química «en reconocimiento de sus servicios en el avance de la Química por el descubrimiento de los elementos radio y polonio, el aislamiento del radio y el estudio de la naturaleza y compuestos de este elemento». Con una actitud desinteresada, no patentó el proceso de aislamiento del radio, dejándolo abierto a la investigación de toda la comunidad científica.
Marie Curie fue la primera persona a la que se le concedieron dos Premios Nobel en dos diferentes campos. La otra persona que lo ha obtenido hasta el presente es Linus Pauling (química y paz). Dos premios Nobel en el mismo campo lo han obtenido John Bardeen (física) y Frederick Sanger (química). Marie Curie presidió, por otra parte, el Instituto del Radio y trabajó en el gran laboratorio Curie. Tiempo después de la muerte de su marido, inició una relación de pareja con el físico Paul Langevin, quien estaba casado, lo que generó un escándalo periodístico con tintes xenófobos.
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