В результате первых экспериментов по осуществлению искусственных ядерных реакций были синтезированы уже известные, встречающиеся в природе изотопы.

Впервые нейтронно-протонные комбинации нового типа, неизвестные ранее в составе природных соединений, были получены в 1934 г. французскими физиками супругами Фредериком Жолио-Кюри и Ирэн Жолио-Кюри.

Изучая последствия бомбардировки пластин алюминия потоком α-частиц, супруги Жолио-Кюри установили, что после прекращения бомбардировки сам металлический образец становится радиоактивным. Детальные исследования облученной алюминиевой пластины привели к открытию двух неизвестных ранее изотопов. Ими оказались: ²⁷₁₃Al, содержащий 13 протонов и 14 нейтронов, а также ³⁰₁₅P, содержащий 15 протонов и 15 нейтронов. В природе встречается только один изотоп фосфора — ³¹₁₅P, ядро которого состоит из 15 протонов и 16 нейтронов. Следовательно, в результате проведенных экспериментов супруги Жолио-Кюри получили искусственный изотоп фосфора. Чуть позднее была установлена и причина того, почему изотоп ³⁰₁₅P не входит в состав природных соединений — период его полураспада составлял всего 14 дней. Излучение именно этого изотопа наблюдали супруги Жолио-Кюри после прекращения бомбардировки алюминиевой пластины.

Таким образом, Ирэн и Фредерик Жолио-Кюри вошли в историю науки как первооткрыватели нового явления — искусственной радиоактивности.

Почти одновременно с французскими учеными итальянский физик Энрико Ферми сообщил о результатах своих исследований, полученных в результате бомбардировки атомов медленными нейтронами. Он установил, что в результате захвата нейтрона ядром атома какого-либо элемента могут наблюдаться различные явления: испускание α-частиц, излучение электронов (β-частиц) или же выделение частиц не происходит. В последнем случае образуется изотоп исходного элемента, массовое число которого на единицу больше изначального атома.

^{Фредерик Жолио-Кюри (1900–1958)}

^{Ирэн Жолио-Кюри (1897–1956)} 

К концу XX в. было синтезировано свыше тысячи радиоактивных искусственных изотопов, не встречающихся в обычных условиях. Практически для каждого элемента были получены один или несколько радиоактивных изотопов, которые было нельзя отыскать среди природных соединений. Даже для водорода был синтезирован один радиоактивный изотоп — тритий ³₁T с периодом полураспада около 12 лет.

В 1940 г. американский химик М.Д. Камен открыл необычный радиоактивный изотоп углерода ¹⁴₆C. Было установлено, что некоторое количество таких частиц образуется в атмосфере в результате взаимодействия атомов азота с космическими лучами. Следовательно, все живые существа содержат в своих тканях определенную долю этого изотопа. Американский химик У.Ф. Либби предложил определять возраст археологических находок, исходя из содержания в них атомов ¹⁴₆C. В данном случае химия пришла на помощь историкам и археологам, предложив для них достаточно точный и надежный инструмент исследований — радиоуглеродный метод датирования.

Использование радиоактивных изотопов расширило исследовательские возможности не только ученых-историков. Еще в 1913 г. Ф.А. Панет совместно с Д. Хевеши предложили использовать в химии метод радиоактивных индикаторов, или меченых атомов. Однако в наиболее полной мере возможности этого нового экспериментального метода выявились после открытия искусственных радиоактивных изотопов. В 1934 г. Д. Хевеши стал использовать радиоактивные изотопы для исследования биохимических процессов. Очень важных результатов при изучении механизмов химических и биохимических реакций с помощью метода меченых атомов достиг американский ученый Рудольф Шонхеймер. Применив изотопы ²₁D и ¹⁵₇N, ³²₁₅P, Шонхеймер осуществил весьма важные исследования процессов образования и расщепления жиров и белков^{487}.

После Второй мировой войны в связи с развитием ядерной энергетики получение редких стабильных изотопов приобрело промышленные масштабы. В качестве меченых атомов стали использовать такие изотопы, как ²₁D, ¹⁸₈O и ¹⁴₆C. Примером очень тщательного изучения механизмов реакций, проходящих в живых организмах, стали работы американского биохимика Мелвина Келвина. В 50-х годах XX в. он применил изотоп ¹⁴₆C для изучения механизма реакций фотосинтеза. Эти эксперименты были проделаны с такой обстоятельностью и привели к таким поразительно точным результатам, получение которых еще в тридцатые годы XX столетия — начале эры биохимических исследований — казалось просто недостижимым.

Применение новых методов синтеза атомных ядер далее привело ученых к созданию искусственных элементов. В 1937 г. изобретатель первого циклотрона Э.О. Лоуренс осуществил бомбардировку молибдена (порядковый номер Z = 42) ядрами дейтерия. В этих исследованиях Лоуренсу помогал Э. Сегре. Тщательно изучив представленный Лоуренсом облученный образец молибдена, Сегре обнаружил в нем присутствие следов нового радиоактивного элемента — как впоследствии выяснилось, с порядковым номером 43. К этому времени элемент с таким номером еще не был открыт среди природных соединений, поэтому ему дали имя технеций Tc (от греческого — искусственный). Синтез этого элемента позволил заполнить один из немногих пробелов, существующих в то время в Периодической таблице.

Со временем были заполнены и другие пустые клетки в таблице Д.И. Менделеева. В 1939–1940-х гг. были открыты франций Fr (порядковый номер Z= 87) и астат At (порядковый номер Z = 85). Спустя семь лет ученые сообщили об открытии элемента с номером 61, который получил название прометий.

Вновь открытые элементы оказались радиоактивными. Все они образуются в процессе распада урана в очень незначительных количествах, поэтому обнаружить их среди природных веществ было крайне трудно. Эти элементы обладали поистине уникальными свойствами. Среди естественных природных элементов с порядковым номером меньше 92 они являются своего рода исключениями, поскольку вообще не имеют стабильных изотопов.