Никакого серьезного лечения пациента все еще не проводилось. Радиационное поражение пока подозревалось, но не диагностировалось. На гамма-радиацию Литвиненко проверяли еще в Барнет-госпитале, но с негативным результатом. При лучевой болезни острого типа лечение состоит из частых переливаний крови и пересадки костного мозга, обязательно от родственников. В данном случае донорами могли быть прилетевший из России отец Литвиненко и двенадцатилетний сын Толя. А. Гольдфарб впоследствии писал, что разговоры о возможных пересадках костного мозга уже велись. Последняя стадия лучевой болезни, как правило, сопровождается различными инфекциями из-за прекращения иммунных функций. Исчезают иммунные барьеры для микрофлоры в ротовой и носовой полостях, в кишечнике. Активизируются скрытые вирусы, обычно в виде массивной сыпи на коже. Наиболее подробно все эти симптомы были описаны для жертв Чернобыльской аварии. У Литвиненко таких признаков не было, у него начались перебои в работе сердца и легких. Вечером 22 ноября состояние больного резко ухудшилось и его перевели в отделение интенсивной терапии, где он был подключен к аппарату искусственного дыхания. Под постоянным контролем находились и другие органы. Одновременно мочу и кровь Литвиненко отправили на проверку радиоактивности в радиологическое отделение больницы. Проверка показала наличие альфа-радиации. Обычный сцинтилляционный счетчик может определить наличие альфа-радиации, но не способен установить характер радиоактивного изотопа. Для идентификации источника облучения образцы крови и мочи Литвиненко срочно послали в научную лабораторию при британском атомном центре в Олдермастоне.
Природу радиоизотопа можно было определить спектральным анализом излучения. Все альфа-источники выбрасывают небольшое количество гамма-импульсов, и соотношение альфа– и гамма-импульсов уникально для каждого из них. Результаты анализа, которые сообщили в больницу 23 ноября, оказались совершенно неожиданными – полоний-210. Смертельные отравления этим изотопом были исключительно редкими и только в результате несчастных случаев в атомной промышленности. Большинство данных по токсикологии полония были получены в опытах на животных. Были известны и антидоты, их, в частности, получают рабочие урановых рудников, в воздухе которых концентрация полония значительно повышена. Возможно, что кто-то в больнице колледжа срочно начал проверять по Интернету данные о полонии. Но было уже поздно. Литвиненко скончался вечером 23 ноября от сердечного приступа, через три часа после информации о полонии.
Информация о смерти Литвиненко появилась на сайте больницы без указания причин. Полиция ввела двухдневный мораторий на сообщения о радиоактивности, чтобы определить уровень радиации и распространенность загрязнений. Идентификация полония не представляет слишком больших трудностей. Однако определение количества полония-210 в организме требует очень сложного и длительного анализа с выделением полония на какую-то металлическую мишень-электрод. Широкая общественность узнала о смерти Литвиненко 24 ноября не из сообщений больницы, а из заявления Гольдфарба, который собрал возле больницы срочную пресс-конференцию. Перед множеством телекамер и микрофонов он зачитал заявление самого Литвиненко, продиктованное им якобы за два дня до смерти. Текст заявления на русском языке в устной форме не был зафиксирован, но английский вариант никак не походил на то, что мог сказать умирающий человек. Никто, однако, не имел возможности что-то проверить. Зачитанное Гольдфарбом заявление сразу ушло в вечерние программы телевидения. Ответственным за смерть Литвиненко оказывался, судя по тексту, лишь один человек, находившийся в данный момент в Финляндии на саммите ЕС – Россия, – президент Владимир Путин.