Едва переехав в новое здание, Менделеев начинает новую охоту за эфиром. По его указанию на всю высоту 23-метровой башни с помощью груза растягивают проволоку, которую сотрудники Главной палаты мер и весов Ф. П. Завадский и В. А. Мюллер, со всей возможной тогда точностью, начинают регулярно взвешивать под нагрузкой и в свернутом состоянии, пытаясь найти убыль или прибыль, нанесенную металлу невидимыми, всепроникающими частицами эфира. Уверенность в существовании этого наилегчайшего элемента не давала Менделееву возможности признать многие, даже вроде бы бесспорные научные открытия того времени. Он решительно не верил во взаимопревращение элементов и продолжал трактовать их природу с химико-механических позиций. Именно поэтому он не принял теорию электролитической диссоциации, открытие электрона и, что особенно характерно, явление радиоактивности как самопроизвольного излучения частиц вещества.
В 1896 году в лаборатории Анри Беккереля Менделеев своими глазами наблюдал испускание солью урана невидимых лучей с сильной проникающей способностью. Есть все основания предполагать, что он был знаком также и с работами Марии и Пьера Кюри, но именно после посещения лаборатории Беккереля в Парижском ботаническом саду он решил провести исследование природы радиоактивности у себя в Палате. Собственных радиоактивных препаратов в России еще не было, поэтому Дмитрий Иванович приобрел препарат бромистого радия у немецкого физика Ф. Гизеля. Работа была поручена лаборанту М. В. Иванову, который должен был вести «наблюдения над разрядной способностью радия» с целью выявления внешних факторов, влияющих на процесс радиоактивного распада. Результат, которого Иванов добился в серии опытов 1903–1904 годов, был ожидаем: ни давление, ни температура не оказывают никакого воздействия на скорость распада. Почему Менделеев выбрал именно эту, как считают специалисты, самую «больную» точку процесса радиоактивного распада — его независимость от внешних условий — судить трудно. Возможно, он бессознательно стремился защитить свою эфирную теорию. В конце 1902 года в одной из самых оригинальных своих работ «Попытка химического понимания мирового эфира» он вновь описывает эфир как легчайший химический элемент, лишенный, подобно аргону или гелию, способности к химическим соединениям. Что же касается радиоактивности, то Менделеев считал, что элементы с наивысшими атомными весами (уран, торий, радий) обладают способностью накапливать мировой эфир вокруг своих атомов. «Если допустить такое особое скопление эфирных атомов около урановых и ториевых соединений, то для них можно ждать особых явлений, определяемых истечением части этого эфира».