Эти три закона были предложены Фредериком Содди и Казимиром Фаянсом независимо друг от друга в 1913 году.
1. Когда радиоактивный атом испускает α-частицу, массовое число получившегося атома (А) уменьшается на 4 единицы, а атомный номер (Z) — на 2. Например,
2. Когда радиоактивный атом испускает β-частицу, атомный номер (Z) увеличивается (β-) или уменьшается (β+) на единицу, а массовое число (А) остается постоянным. Например,
3. Когда возбужденное ядро испускает электромагнитную радиацию (γ), не меняются ни А, ни Z, происходит только потеря энергии.
Сегодня известно, что α-частица — это ядро атома гелия (следовательно, ее символ — 42Не), в то время как частицы β и β+ — электроны и позитроны соответственно.
Генри Мозли, еще один партнер Резерфорда в Манчестере, определил характерное свойство каждого элемента. Он измерил спектры излучения рентгеновских лучей всех известных в то время элементов и выяснил, что квадратный корень частоты испускаемых рентгеновских лучей пропорционален уникальной частоте для каждого элемента. Мозли определил эту величину как заряд центрального положительного ядра и назвал ее Z, что сегодня известно как атомный номер. Он опубликовал свои результаты в двух статьях, которые послал незадолго до того, как отправился на фронт. Работы увидели свет в 1913 и 1914 годах. Мозли так и не узнал, что именно в том году, когда он погиб на войне, в 1915-м, он стал бы одним из самых молодых кандидатов на Нобелевскую премию.
Ученый заметил: Z увеличивается в том же порядке, что и атомная масса, кроме таких элементов, как кобальт, никель, йод и теллур. Чему были обязаны эти исключения? Очевидно, существованию более тяжелых изотопов у элементов с меньшим атомным номером. Но почему существуют изотопы? Потому что у ядра есть, помимо протонов, еще одна частица, нейтрон, которая не была обнаружена, потому что у нее отсутствует заряд. Резерфорд догадался о существовании нейтрона еще в 1920 году, но только в 1932 году это экспериментально подтвердил другой его ученик, Джеймс Чедвик. Он сделал это, повторив эксперимент, который провели в Радиевом институте Ирен Кюри и ее супруг Фредерик Жолио-Кюри. Опыт заключался в том, чтобы бомбардировать бериллиевую пластинку α-частицами, что вызвало испускание лучей, которые исследователи посчитали у-лучами высокой энергии, порожденными протонами при прохождении через парафин. Резерфорд подверг сомнению эти результаты; Чедвик поверил в их наличие, но не в толкование. Зная, что нужно искать, и пользуясь подходящим детектором, Чедвик обнаружил нейтрон и получил за это в 1935 году Нобелевскую премию по физике. Так была окончательно решена загадка структуры атома.
После того как стало известно о дифракции, обнаруженной фон Лауз и Брэггом, Генри Мозли (1887–1915) поехал в лабораторию Брэгга в Лидском университете, потому что хотел больше узнать о взаимодействии рентгеновских лучей с материей. Ознакомившись с источниками рентгеновских лучей, он исследовал их энергию, используя в качестве анодов все 73 химических элемента, известных к тому времени. Он обнаружил линейную связь между длиной волны испускаемых каждым элементом лучей и характерной величиной, которую Мозли определил как ядерный заряд. На основе этих значений он установил новый порядок элементов в периодической таблице, исправив исходный порядок Менделеева на основе значений атомной массы и предсказав существование еще не открытых элементов. Ход эксперимента Мозли схематично показан на рисунке, где приведена схема атома по модели Бора, которая, в свою очередь, основывается на модели Резерфорда: падающий фотон (верхняя волнистая линия) выбивает электрон (правая волнистая линия) из внутренних слоев электронной оболочки. Промежуток заполняется электроном из внешних слоев, который, в свою очередь, испускает другой фотон с энергией (левая волнистая линия), равной разнице между двумя этими уровнями. Каждый химический элемент испускает фотон с характерной энергией, пропорциональной числу протонов ядра. Энергия фотонов порождает флуоресцентные линии рентгеновских лучей, которые помогли Мозли определить атомный номер, Z. Этот процесс — основа одного из самых чувствительных методов недеструктивного химического анализа, флуоресценции рентгеновских лучей. Мозли провел первую часть своего исследования в лабораториях Резерфорда в Манчестере, а последнюю часть — в Кларендонской лаборатории в Оксфорде, где не было даже электрической сети и приходилось покрывать расходы самому. Официально он оставил Манчестер, чтобы вернуться к матери в Оксфорд, но самое главное — он хотел выйти из тени профессора и плеяды его блистательных учеников, которые могли затмить его собственную работу.