W 1901 wydział fizyki w Bryn Mawr College w Pensylwanii zaoferował jej stypendium doktoranckie. Prowadząc badania w Bryn Mawr College zdobyła stypendium na kontynuowanie studiów w Europie (President’s European Fellowship). Dzięki wstawiennictwu Rutherforda, z którym pozostawała w listownym kontakcie, J.J. Thompson przyjął ją do Laboratorium Cavendisha przy Uniwersytecie w Cambridge. Była pierwszą kobietą, której pozwolono prowadzić tam badania. Dokonała wówczas pierwszego pomiaru czasu połowicznego rozpadu radonu.
Po powrocie do Kanady kontynuowała badania nad promieniotwórczością, których wyniki opublikowała w 1904. Zaobserwowała, że nieradioaktywna płytka umieszczona w pojemniku radioaktywnym staje się radioaktywna. W ten sposób odkryła, że emisja cząstki alfa przez jądro atomowe powoduje odrzut jądra potomnego (powstałego w wyniku takiego rozpadu) w przeciwnym kierunku – często z energią wystarczającą, aby uciec z powierzchni materiału i osadzić się na włożonej płycie (odkrycie tego zjawiska przypisał sobie później Otto Hahn).