Различные атомы, входившие в три названные радиоактивные серии, вовсе не были такими уж разными. Когда атом урана испускал альфа-частицу, образовывался атом, названный «ураном-икс-первым». После тщательных исследований оказалось, что этот уран-икс-первый обладает химическими свойствами тория, но его радиоактивные свойства отличались от свойств обычного тория. При этом уран-икс-первый разлагался так быстро, выделяя при распаде бета-частицы, что половина его первоначального количества распадалась всего за 24 часа. Можно сказать и иначе (формулировка предложена Резерфордом): за 24 часа элемент икс-первый проживал половину своей жизни. Однако обыкновенный торий выпускал не бета-, а альфа-частицы, и это происходило так медленно, что половина его жизни составляла 14 миллиардов лет!

В списке элементов по химическим стандартам уран-икс-первый и обыкновенный торий располагались на одном и том же месте, но ученым было ясно, что между ними существует какое-то различие.

Аналогичное явление было зафиксировано и у другого радиоактивного элемента. В 1913 году британский химик Александр Флек изучал два элемента из радиоактивной серии урана, названные «радий-В» и «радий-D», а также «торий-В» из радиоактивной серии актиния. По химическим свойствам все четыре элемента совпадали с обыкновенным свинцом и соответственно находились на одном месте в списке элементов. Однако они отличались по радиоактивным свойствам. Хотя все элементы испускали бета-частицы, у радия-В половина жизни составляла 27 минут, у радия-D около 19 лет, а у тория-В – 11 часов.

В 1913 году Фредерик Содди предложил называть атомы, которые находились на одном и том же месте в списке элементов, но имели различные радиоактивные свойства, изотопами (от греческого словосочетания «одно место»).

Вначале казалось, что изотопы различаются лишь радиоактивными свойствами и речь идет только о радиоактивных атомах. Вскоре оказалось, что все совсем не так: один и тот же элемент может обладать несколькими формами, совершенно различными по свойствам. Серии урана, тория и актиния завершались свинцом, но были ли идентичны атомы свинца в каждом случае?

Содди исследовал способ, с помощью которого изменялся атомный вес при потере альфа– или бета-частиц, испускаемых атомом. Исследуя три радиоактивные серии, он понял, что атомы свинца в каждом случае имеют разный атомный вес. Он установил, что серия урана оканчивалась атомами свинца, имевшими атомный вес 206, серия тория образовывала свинец с атомным весом 208, а серия актиния заканчивалась атомами свинца с атомным весом 207.

Если все обстоит именно так, то в результате распада образовываются три изотопа свинца, которые отличаются не радиоактивными свойствами, а атомным весом. Изотопы можно было бы отнести к свинцу-206, свинцу-207 и свинцу-208. Сделанные в 1914 году дополнительные измерения атомного веса подтвердили гипотезу Содди.

Все три свинцовых изотопа имеют один и тот же атомный номер 82. У атомов всех трех изотопов есть ядра с электрическим зарядом +82, и у всех трех в атоме находится 82 электрона, которые уравновешивают этот положительный ядерный заряд. Различие, таким образом, заключалось только в массе ядер.

Но что же в таком случае представляет собой обыкновенный свинец с атомным весом 207,2, который извлекают из горных пород, находящихся вдали от каких-либо природных радиоактивных веществ, и который, видимо, был стабилен на протяжении всей истории Земли? Состоит ли этот стабильный свинец из атомов еще одного изотопа, имевшего дробный атомный вес? Или стабильный свинец представлял собой смесь изотопов, каждый из которых обладает различным целым атомным весом? Является ли суммарный атомный вес дробным, потому что представляет собой некую среднюю величину?

Ответить на все эти непростые вопросы, связанные со свинцом, в то время не смогли, но истина все-таки была найдена в связи с исследованиями другого элемента – редкого газа неона, имевшего атомный вес 20,2.

В 1912 году Джозеф Томсон занялся изучением неона, пропуская через него все тот же пучок катодных лучей. Электроны сталкивались с атомами неона и выбивали их собственные электроны. В результате оставался неоновый ион (атом с зарядом, образующийся в результате потери электронов), несущий один положительный заряд. Ионы неона двигались в электрическом поле точно так же, как это делали электроны, но в противоположном направлении, поскольку имели положительный заряд. Если бы все неоновые ионы обладали одинаковой массой, то у них должна была бы быть общая траектория. Если бы масса была различна, то более тяжелые должны были бы двигаться по другой траектории. Во время опытов, проводимых Томсоном, ионы неона попадали на фотографическую пластинку, которая затемнялась в соответствующем месте. Если бы все ионы имели одну массу, то на пластинке получилось бы одно пятно. Однако Томсон получил две области затемнения, доказав, что существуют два типа ионов, обладающих различными массами, которые образовывали траектории двух видов, завершавшиеся в разных местах. Изучив расстояние между точками, Томсон показал, что один изотоп неона имеет атомный вес 20, а другой – атомный вес 22. Далее, исходя из степени затемнения каждого пятна, он сделал вывод, что обыкновенный неон состоял из атомов, которые на 90 % были неоном-20 и на 10 % неоном-22. Вот и получалось, что общий атомный вес неона составляет 20,2 – то есть средний атомный вес двух изотопов.

Джозеф Томпсон оказался первым исследователем, который сумел разделить изотопы. Позже подобные инструменты стали называть «масс-спектрометрами» (термин ввел английский физик Френсис Астон, который построил аппарат такого типа в 1919 году). С его помощью Астон изучил все элементы, которые только смог. В частности, оказалось, что в действительности неон на 90,48 % состоит из неона-20 и всего на 9,25 % из неона-22. Очень небольшое количество атомов, всего 0,27 %, относилось к третьему изотопу – неону-21.

Что касается обыкновенного свинца в нерадиоактивных породах, получилось следующее: 24,1 % свинца-206, 22,1 % свинца-207 и 52,4 % свинца-208. Астон установил, что существует еще четвертый изотоп, свинец-204, которому принадлежат оставшиеся 1,4 % и который вообще не является продуктом радиоактивных серий.

Стремясь избежать путаницы, среднюю массу изотопов, из которых складывался каждый конкретный элемент, продолжали называть атомным весом (массой) этого элемента. О ближайшем к массе индивидуальных изотопов целом говорили как о «массовом числе» этого изотопа. Таким образом, обыкновенный свинец состоит из изотопов с массами 204, 206, 207 и 208, а его атомный вес равен 207,19. Неон состоит из изотопов с массовыми числами 20, 21 и 22, а его атомный вес составляет 20,183. И так далее.

Иногда атомный вес элемента выражается почти целым числом, и все же этот элемент имеет больше одного изотопа. В этом случае один из изотопов составляет почти всё число, в то время как остальные присутствуют в столь малых количествах, что их можно выделить с большим трудом, и среднее число получается почти целым. Скажем, гелий имеет атомный вес 4,0026, и действительно, почти все атомы, составлявшие его, это гелий-4. Однако 0,0001 % атомов, или по крайней мере один из миллиона, составляет изотоп гелий-3.

Даже у водорода обнаружились изотопы! Его атомный вес почти равен 1, и большинство его атомов представляют собой обыкновенный водород-1. Однако вскоре американский химик Гарольд Юри обнаружил изотоп водород-2, который оказался почти вдвое тяжелее, чем водород-1. Ни у одного элемента изотоп не отличался от обычных атомов настолько сильно. Поэтому и химические свойства водорода-2 и водорода-1 различались больше, чем обычно. Чтобы отметить это загадочное явление, Ури присвоил «тяжелому» водороду-2 название «дейтерий» (от греческого слова, означающего «второй»).

Не удалось избежать новой классификации и радиоактивным элементам. Атомный вес урана 238,029, поэтому большинство его атомов составляет уран-238, однако в 1935 году канадский физик Артур Демпстер выяснил, что 0,7 % его атомов составляет более легкий изотоп уран-235. Атомы изотопов урана существенно отличались по радиоактивным свойствам. Уран-238 имел период полураспада 4,5 миллиарда лет, в то время как у урана-235 период полураспада составлял всего лишь 700 миллионов лет. Более того, при распаде уран-235 «разбивался» на три стадии, до актиния. Именно уран-235, а не сам актиний, давал начало радиоактивным сериям.