Aston 1922: Difference between revisions

From Mass Spec Terms
← Older edit
No edit summary
 
(16 intermediate revisions by the same user not shown)
Line 1: Line 1:
<big><big>'''Isotopes'''</big></big>


<big><big>ISOTOPES[https://archive.org/details/isotopes00asto/page/n3/mode/2up]</big></big>
{{Template:Aston 1922 Contents}}
 
{{Special:PrefixIndex/{{FULLPAGENAME}}/}}
 
F. W. ASTON,  M.A.,  D.Sc,  A.I.C.,  F.R.S.
 
Fellow of Trinity College, Cambridge
 
LONDON
 
EDWARD. ARNOLD &amp; CO.
 
1922
 
[All rights reserved]
 
Printed  in  Great  Britain


==PREFACE==
==PREFACE==
[[File:Portrait of Francis William Aston (1877-1945), Chemist and Physicist (2536015497) (cropped).jpg|400 px|right]]
I  have  undertaken  the  preparation  of  this  book  on  [[isotope]]s in  response  to  many  requests  made  to  me  by  teachers  of  physics and  chemistry  and  others  working  in  these  subjects  that  I should  publish  the  results  obtained  by  means  of  the  [[mass spectrograph]]  in  a  form  more  convenient  to  the  public  than  that in  which  they  first  appeared.  This  is  one  of  the  reasons  why the  space  allotted  to  the  inactive  isotopes  may  appear,  in  the light  of  the  general  title  of  the  book,  somewhat  disproportion- ately large.  Another  is  that  the  subject  of  radioactive  isotopes really  requires  a  book  to  itself,  and  I  am  in  the  hope  that  the inadequacy  of  my  account  may  stimulate  the  production  of such  a  volume  by  hands  more  competent  than  mine  to  deal with  this  very  special  and  remarkable  field  of  modern  science. The  logical  order  of  exposition  of  a  scientific  subject  is  to  start with  the  simple  and  from  that  build  up  the  more  complex. Unfortunately  the  sequence  of  events  in  experimental  research is  the  exact  opposite  of  this  so  that  a  compromise  must  be effected,  unless  one  is  content  to  sacrifice  historical  treatment altogether.  The  latter  seems  very  undesirable  in  a  new  subject. I  have  endeavoured  in  Chapters  I,  II  and  IV,  and  elsewhere when  possible,  to  adhere  strictly  to  the  historical  order  of events  even  at  the  cost  of  some  reiteration.


I  have  undertaken  the  preparation  of  this  book  on  [[isotope]]s
I  wish  to  take  this  opportunity  of  expressing  my  indebted- ness to  Mr. C. G.  Darwin  for  his  timely  criticism  and  unfailing assistance  throughout  the  work,  and  also  to  Mr. R. H. Fowler for  help  with  the  proofs.  My  thanks  are  also  due  to  [[wikipedia:Frederick Soddy|Professor Soddy]] for  his  diagram  of  the  radioactive  isotopes,  to  [[wikipedia:Arthur Jeffrey Dempster|Mr.  A.  J. Dempster]]  for  kindly  sending  me  the  illustrations  of  his  work, to  the  proprietors  of  the  Philosophical  Magazine  and  to the  Council  of  the  Chemical  Society  for  permission  to  use  the plates  and  figures  of  my  original  papers,  and  to  Messrs. Macmillan &amp; Co., for the diagram of the radioactive  transformations.
in  response  to  many  requests  made  to  me  by  teachers  of  physics
and  chemistry  and  others  working  in  these  subjects  that  I
should  publish  the  results  obtained  by  means  of  the  [[mass spectrograph]]  in  a  form  more  convenient  to  the  public  than  that
in  which  they  first  appeared.  This  is  one  of  the  reasons  why
the  space  allotted  to  the  inactive  isotopes  may  appear,  in  the
light  of  the  general  title  of  the  book,  somewhat  disproportion-
ately large.  Another  is  that  the  subject  of  radioactive  isotopes
really  requires  a  book  to  itself,  and  I  am  in  the  hope  that  the
inadequacy  of  my  account  may  stimulate  the  production  of
such  a  volume  by  hands  more  competent  than  mine  to  deal
with  this  very  special  and  remarkable  field  of  modern  science.
The  logical  order  of  exposition  of  a  scientific  subject  is  to  start
with  the  simple  and  from  that  build  up  the  more  complex.
Unfortunately  the  sequence  of  events  in  experimental  research
is  the  exact  opposite  of  this  so  that  a  compromise  must  be
effected,  unless  one  is  content  to  sacrifice  historical  treatment
altogether.  The  latter  seems  very  undesirable  in  a  new  subject.
I  have  endeavoured  in  Chapters  I,  II  and  IV,  and  elsewhere
when  possible,  to  adhere  strictly  to  the  historical  order  of
events  even  at  the  cost  of  some  reiteration.
 
I  wish  to  take  this  opportunity  of  expressing  my  indebted-
ness to  Mr. C. G.  Darwin  for  his  timely  criticism  and  unfailing
assistance  throughout  the  work,  and  also  to  Mr. R. H. Fowler
for  help  with  the  proofs.  My  thanks  are  also  due  to  [[wikipedia:Frederick Soddy|Professor Soddy]] for  his  diagram  of  the  radioactive  isotopes,  to  [[wikipedia:Arthur Jeffery Dempster|Mr.  A.  J. Dempster]]  for  kindly  sending  me  the  illustrations  of  his  work,
to  the  proprietors  of  the  Philosophical  Magazine  and  to
the  Council  of  the  Chemical  Society  for  permission  to  use  the
plates  and  figures  of  my  original  papers,  and  to  Messrs.
Macmillan &amp; Co., for the diagram of the radioactive  trans-
formations.


:[[wikipedia:Francis William Aston|F. W. Aston]]
:[[wikipedia:Francis William Aston|F. W. Aston]]
Line 56: Line 13:
:January, 1922.
:January, 1922.


==CONTENTS==
----
 
[[Aston 1922/Contents]]
 
==CHAPTER I - INTRODUCTION==
 
[[Aston 1922 Chapter 1]]
 
==CHAPTER  II - THE  RADIOACTIVE  ISOTOPES==
 
[[Aston 1922/Chapter 2]]
 
==CHAPTER  III - POSITIVE  RAYS==
 
[[Aston 1922/Chapter 3]]
 
==CHAPTER  IV - NEON==
 
[[Aston 1922/Chapter 4]]
 
==CHAPTER  V - THE  MASS-SPECTROGRAPH==
[[Aston 1922/Chapter 5]]
 
==CHAPTER  VI - ANALYSIS  OF  THE  ELEMENTS==
 
[[Aston 1922/Chapter 6]]
 
==CHAPTER  VII - ANALYSIS    OF  THE    ELEMENTS    (Continued)==
 
===72.  Positive  Rays  of  Metallic  Elements===
Positive  rays
of  most  of  the  metallic  elements  cannot  be  obtained  by  the
ordinary  discharge-tube  method,  since  in  general  they  have
extremely  low  vapom'-pressures  and  are  incapable  of  forming
stable  volatile  compounds.  Mercury  is  a  notable  exception  to
this  rule,  and  its  rays  are  exceedingly  easy  to  produce.
 
Positively  charged  rays  which  appeared  to  be  atoms  of  the
alkali  metals  were  first  observed  by  Gehrcke  and  Reichen-
heim.  ^  They  obtained  them  by  two  distinct  methods  :  the
first,  which  may  be  conveniently  called  the  "  Hot  Anode  "
method,  consisted  in  using  as  anode  of  the  discharge-tube  a
platinum  strip  coated  with  a  salt  of  the  metal  and  electrically=
 
heated  by  an  external  battery.  The  second  device,  with  which
they  performed  most  of  their  pioneer  work  on  Anode  Rays,
was  to  use  a  composite  anode  of  special  construction  which
worked  without  the  need  of  external  heating.
 
===73.  Dempster's  analysis  of  Magnesium  (At.  Wt. 24-32)===
The  experiments  of  Dempster  with  the  "  hot  anode
method  of  generating  positive  rays  have  already  been  noted, 
Later,  3  he  announced  the  very  important  discovery  of  the
three  isotopes  of  magnesium,  and  subsequently  published  an
account  of  the  experimental  details,*  The  magnesium  rays
were  obtained  from  a  piece  of  the  metal  which  was  heated
electrically  by  a  coil  of  wire,  and  at  the  same  time  bombarded
by  electrons  from  a  Wehnelt  cathode.    The  occluded  gases
 
^  Gehrcke  and  Reichenheim,  Ver.  d.  Phys.  OeselL,  8,  659,  1906 ;=
 
9,  76,  200,  376,    1907  ;    10,  217,    1908.
 
"P,  31,  =C2=BB  Dempster,  Science,  Dec,  10,    1920.
 
*  Dempster,  Proc.  Nat.  Ac.  Sci.,  7,  45,    1921.
 
80
 
 
ANALYSIS  OF  THE  ELEMENTS
 
 
81
 
 
were  first  driven  off,  and  then  the  heating  current  was  increased
till  the  metal  was  slightly  vaporised  and  the  magnesium  lines
appeared.  The  following  description  of  the  analysis  and  the
curves  obtained  are  taken  direct  from  Dempster's  paper:
 
/
 
\    1
 
\
 
/
 
\
 
/
 
\J
 
V
 
Vj
 
/
 
\
 
22  23  24    .        25  Z6  Z7
 
Atomic  Weight.
Fig.  13.  Curve  for  Magnesium.
 
 
22
 
 
28
 
 
29
 
 
r
 
I
 
I
 
~^        /
 
&gt;)
 
&lt;/
 
/
 
1/
 
V
 
V
 
\
 
23
 
 
27
 
 
24  25  26
 
Axomic  Wei^^ht,
 
Fig.  14.  Curve  for  Magnesium
 
 
28
 
 
29
 
 
82  ISOTOPES
 
' '  The  charged  atoms  of  different  atomic  weights  are  succes-
sively brought  on  to  the  detecting  electrode  by  keeping  the
magnetic  field  constant  and  varying  the  potential  which  accele-
rates the  rays,  the  potential  required  being  inversely  propor-
tional to  the  mass  of  the  particles.  Thus,  if  one  atomic  weight=
 
is  known  the  others  may  be  found.  Due  to  the  finite  width
of  the  slits,  each  element  gives  a  curve,  on  the  atomic  weight=
 
scale,  which  is  theoretically  a  linear  increase  to  a  maximum
and  then  a  Unear  decrease.    The  width  half  way  to  the  maxi-
 
2  Sf
mum  is  given  by  m.      where  m  is  the  atomic  weight,  S =
the
 
CL
 
slit  width  and  d  the  diameter  of  the  circle  in  which  the  rays=
 
travel.  Under  good  vacuum  conditions  this  theoretical
sharpness  is  practically  obtained.  For  1  mm.  slits  this  width
of  the  curves  should  thus  be  one-haK  a  unit  on  the  atomic
weight  scale.  The  former  measurement  with  the  apparatus
and  the  magnetic  field  determinations  sufficed  to  locate  elements=
 
between  20  and  30  within  one  unit,  and  identified  the  strong
nitrogen  rays  (possible  carbon  monoxide)  of  molecular  weight
28  which  are  given  off  when  the  metal  is  first  heated.
 
"  One  series  of  experiments  was  as  follows.  After  heating
the  magnesium  shghtly  and  pumping,  till  a  MacLeod  gauge
gave  no  pressure  indication,  the  nitrogen  molecule  was  the
only  particle  present.  The  heating  current  was  then  increased
by  steps  to  vaporise  the  magnesium.  With  0*7  ampere,  28
alone  was  present,  with  075  ampere  an  arc  apparently  struck
as  the  cathode-anode  current  jumped  suddenly  to  five  times
its  value.  The  electron  current  was  decreased  to  its  former
value  by  cooling  the  cathode  and  the  rays  were  measured.
It  was  found  that  three  strong  new  lines  had  appeared.  The
new  lines  which  are  undoubtedly  due  to  magnesium  were  com-
pared with  the  nitrogen  rays  which  were  still  faintly  present
and  found  to  have  atomic  weights,  24,  25  and  26.  The  obser-
vations are  illustrated  in  Fig.  13,  which  gives  the  current  or
number  of  particles  for  different  atomic  weights.  The  nitrogen
line  had  its  maximum  at  817  volts,  and  the  atomic  weight
abscissae  are  28  x  817  divided  by  the  volts  appHed.  The
ordinates  of  the  28  line  are  multiplied  by  10  in  plotting  to
make  them    comparable  with  the  other  three  lines.    The
 
 
ANALYSIS  OF  THE  ELEMENTS  83
 
dotted  continuation  to  the  axis  indicates  the  sUght  overlapping
of  the  Hnes.  We  conclude  that  magnesium  consists  of  three
isotopes  of  atomic  weights  24,  25  and  26.
 
"  Later  curves  made  with  steadier  discharge  conditions  are
more  suitable  than  Fig.  13  for  measuring  the  relative  strengths
of  the  components.  In  Fig.  13  there  appears  to  have  been  a
drop  in  intensity  just  before  24  was  reached,  in  the  measure-
ment from  high  to  low  atomic  weights.  The  curve  is  of  interest
as  still  containing  28  faintly  and  so  serving  accurately  to
locate  the  weights  which  otherwise  would  have  been  uncertain
to  a  fraction  of  a  unit.
 
"  Fig.  14  is  one  of  several  later  curves  taken  under  steadier
conditions.  These  all  have  very  closely  the  same  appearance.
The  components  25  and  26  are  present  very  nearly  in  equal
amounts  ;  in  some  measurements  25  was  found  about  nine-
tenths  the  intensity  of  26.  The  component  at  24  is  approxi-
mately 6  times  as  strong  as  the  one  at  26.  The  ratio  of  1  :  1=
:  6
gives  an  average  atomic  weight  24-375,  which  is  in  as  good
agreement  with  the  accepted  atomic  weight  for  magnesium
as  could  be  expected  with  the  wide  slits  used  in  these  first
experiments."
 
===74. The  mass -spectra  of  the  alkali  metals===
In  order
to  analyse  the  metals  of  this  group  a  modification  of  Gehrcke
and  Reichenheim's  hot  anode  method  was  employed  by  the
writer  to  generate  the  positive  rays.  After  a  certain  amount
of  initial  difficulty  in  technique  had  been  overcome  this  gave
satisfactory  results. 
 
The  apparatus  for  producing  the  rays  was  very  simple,  and  will
be  readily  understood  from  the  figure  (Fig.  15).  The  hot
anode  A  is  a  strip  of  platinum  foil  "03  mm.  thick,  about  2  mm.
wide  by  7  mm.  long,  welded  to  the  two  stout  platinum  leads
which  are  fused  through  the  glass  at  C.  It  was  raised  to  the
required  temperature  by  current  from  one  large  storage-cell
connected  through  a  rheostat  as  shown.  As  the  anode  is  of
necessity  the  high-potential  pole  of  a  discharge -tube  arranged
to  give  positive  rays,  this  heating  arrangement  had  to  be  very
carefully  insulated.    The  anode  was  mounted  on  a  ground
 
1  Aston,  Phil.  Mag.,  42,  436,    1921.
 
 
84  ISOTOPES
 
joint  as  indicated  so  that  it  could  be  easily  removed  and
replaced.  The  discharge-tube  was  cylindrical,  about  4  cm.
in  diameter,  mounted  concentric  to  the  axis  of  the  perforated
cathode  K.  A  side  tube  was  fitted  at  B  which  could  be  cooled
in  Hquid  air  ;  in  some  of  the  experiments  this  was  charged
with  charcoal.
 
 
I.p  \ ^=3D^  I  (Eh^
 
 
HW\M
Fig.  15.  Hot  Anode  Discharge  Tube.
 
 
The  anode  was  placed  immediately  opposite  the  perfora-
tion of  the  cathode  and  about  1  cm.  away  from  it.  The
platinum  strip  was  bent  at  one  end  into  a  U-shaped  channel
into  which  the  salts  could  be  melted.  The  discharge  was
maintained  by  a  large  induction-coil  used  in  the  previous
work  on  mass  spectra  and  rectified  by  means  of  a  valve  V.
 
===75.  Experiments  with  the  Parabola  method  of analysis===
In  the  preliminary  experiments  the  analysis  of
the  rays  was  performed  by  Sir  J.  J.  Thomson's  "parabola"
method,  since  this  gives  the  maximum  general  information,
and  it  was  only  when  suitable  conditions  and  technique  had
been  ascertained  that  the  mass  spectrograph  was  applied.
 
The  general  procedure  was  to  pump  out  the  discharge-tube
to  the  lowest  possible  pressure,  far  lower  than  that  necessary
to  prevent  all  discharge  with  the  anode  cold,  and  then  to
heat  up  the  anode  until  the  discharge  started.  This  usually
happened  at  dull  red  heat,  and  by  very  careful  adjustment  of
the  temperature  and  of  the  primary  current  in  the  coil  it  was
possible,  under  favourable  conditions,  to  maintain  a  fairly
steady  current  of  1  to  2  miUiamperes  at  a  potential  of  about
20,000  volts.
 
It  will  be  seen  that  the  arrangement  resembles  that  of  a
Coolidge  X-ray  tube  reversed  pole  for  pole,  and  it  was  hoped
that  it  might  share  the  outstanding  controllability  of  that
device  ;  but  that  expectation  was  only  very  partially  realised,=
 
 
 
ANALYSIS  OF  THE  ELEMENTS      85
 
The  mechanism  of  the  discharge  is  extremely  obscm-e,  for  the
current  intensity  is,  of  course,  enormously  in  excess  of  that
to  be  expected  from  the  ordinary  thermionic  release  of  positive
ions  from  the  hot  anode.  ^  There  was  very  little  visible  glow
in  the  tube,  the  X-radiation  was  small  and,  although  a  faint
cloud  of  sodium  Ught  nearly  always  appeared  in  front  of  the
red-hot  anode,  the  pressure  was  too  low  for  the  anode  rays
to  be  visible  ;  their  point  of  impact  with  the  cathode  could,
however,  be  inferred  from  the  scintillations  on  its  surface.
 
Observations  of  this  effect  lead  to  the  conjecture  that  the
bulk  of  the  rays  originate  not  from  the  surface  of  the  salt
itself  but  from  that  of  the  heated  platinum,  and  also  that  some=
 
points  on  this  are  much  more  active  than  others,  giving  rise
to  jets  of  rays.  The  direction  of  these  jets  seemed  to  depend
on  the  local  configuration  of  the  strip  and  was  beyond  prac-
tical control.  The  obvious  device  of  moving  the  anode  about
by  means  of  the  ground  joint  to  get  a  radiant  point  in  the
required  place  could  not  be  applied,  for  the  parabolas  were
never  bright  enough  to  be  visible  on  the  willemite  screen.
To  add  to  these  difficulties  the  salt  disappeared  very  rapidly,
in  some  cases  in  a  few  minutes.  Consequently  exposures
were  very  limited  in  duration,  and  even  in  the  most  favourable
cases  the  results  rarely  had  a  satisfactory  intensity.
 
The  preliminary  experiments  were  done  with  sodium  phos-
phate, and  before  long  encouraging  results  were  obtained.
In  all  the  successful  exposures  only  a  single  parabola  appeared,=
 
and  this  showed  that  although  the  method  on  account  of
the  number  of  inevitable  failures  is  an  exasperating  one  to
use  as  a  means  of  identifying  isotopes  it  has  the  great =
merit
of  producing  the  positive  rays  of  the  metals  and  no  others.
This  characteristic  seems  to  be  due  to  the  very  low  pressure
employed  and  also  possibly  to  the  position  of  the  anode  itself,=
 
which  prevents  any  positive  rays  generated  in  more  distant
parts  of  the  tube  from  ever  reaching  the  perforation  in  the
cathode  in  the  necessary  axial  direction.
 
Such  a  selective  action  has  two  very  important  results.
In  the  first  place,  it  eliminates  the  many  ambiguities  of  the
 
1  Richardson,  The  Emission  oj  Electricity  from  Hot  Bodies,  p.  234=
  et
8eq.,  Longmans,  1916.
 
 
86  ISOTOPES
 
ordinary  mass  spectrum  due  to  multiply-charged  rays,  or  to
hydrogen  and  other  addition  products  ;  but,  in  the  second,  it
prevents  the  use  of  the  oxygen  line  as  a  comparison  standard.
As  soon  as  it  was  demonstrated  beyond  any  reasonable  doubt
that  sodium  was  a  simple  element  (and  its  chemical  atomic
weight  is  so  exactly  integral  on  the  oxygen  scale  as  to  be
conclusive  corroboration)  it  was  taken  as  standard  at  23.
 
===76.  Lithium  (At.  Wt.  6-94)===
The  most  successful  experiment done  with  the  parabola  method  of  analysis  was  one  in
which  a  mixture  of  sodium  and  lithium  phosphates  was  employed (this  contained  traces  of  potassium  salts).  By  great
good  fortune  a  very  strong  jet  of  rays  must  have  been  directed=
 
along  the  axis  and  three  satisfactory  exposures  were  obtained
before  the  anode  dried  up.  One  of  these  is  reproduced  in
Plate  I  (5)  A  strong  parabola  at  7  and  a  weak  one  at  6  demonstrate clearly  that  lithium  is  a  complex  element,  as  its  chemical
atomic  weight  6-94  leads  one  to  expect.  This  result,  which
was  announced  by  the  writer  and  G.  P.  Thomson  in  Nature,
February  24th,  was  confirmed  independently  by  Dempster  ^
using  the  method  described  for  magnesium.  The  several
photographs  here  considered  all  gave  approximately  the  same
ratio  of  intensities,  and  they  corresponded  as  well  as  was  to
be  expected  with  the  accepted  atomic  weight.  On  the  other
hand,  G.  P.  Thomson's  parabolas  (which  were  obtained  with
a  composite  anode)  and  Dempster's  electrical  measurements
suggest  a  more  nearly  equal  intensity  ratio  and  this  ratio
appears  to  vary.
 
===77.  Sodium  (At.  Wt.  23-00)===
Sodium  gave  the  brightest
effects,  and  its  single  line  was  obtained  so  intense  that  the
presence  of  another  constituent  to  the  extent  of  even  less  than
1  per  cent,  could  probably  have  been  detected.  It  may  therefore be  safely  regarded  as  a  simple  element.
 
The  parabola  method  of  analysis  is  perfectly  satisfactory
in  the  case  of  so  Hght  an  element  as  lithium,  but  cannot  be
used  for  the  critical  examination  of  the  heavier  members
of  the  group  ;  and  so  the  apparatus  for  the  production  of  the=
 
 
^Dempster,  Science,  April  15,  1921.
 
 
ANALYSIS  OF  THE  ELEMENTS  87
 
rays  was  fitted,  to  the  mass  spectrograph  ah-eady  described.  ^
The  experimental  difficulties  became  now  very  serious  indeed,
for,  in  addition  to  those  already  indicated,  there  was  no  means=
 
of  finding  the  most  suitable  voltage  to  apply  to  the  electro-
static plates.  In  normal  cases  this  is  done  by  visual  inspection=
 
of  the  hydrogen  lines,  but  here  it  could  only  be  guessed  at.
Under  these  conditions  it  is  not  a  matter  for  surprise  that
the  photographs,  though  sufficient  for  the  purpose  of  detecting
isotopes,  only  gave  very  faint  lines  and  so  cannot  be  reproduced=
 
as  illustrations.
 
===78.  Potassium  (At.  Wt.  39-10)===
A  mixture  of  potassium
sulphate,  potassium  bromide,  and  a  Httle  sodium  phosphate
was  now  used  on  the  anode,  and  after  several  unsuccessful
attempts  some  fairly  satisfactory  spectra  were  obtained  which
contained  both  sodimn  and  potassium  lines.  Using  the
former  as  standard  the  latter  consisted  of  a  bright  component
at  39,  and  a  very  faint  component  at  41.
 
===79.  Rubidium  (At.  Wt.  85-45)===
Rubidium  chloride  was
now  added  to  a  Httle  of  the  mixture  used  in  the  potassium
experiments  and  spectra  containing  the  potassium  and  rubi-
dium hnes  were  obtained.  Rubidium  is  very  definitely  double.
Its  components  are  more  nearly  equal  in  intensity  than  those
of  Hthium  or  potassium.  Measured  against  the  potassium
line  39  its  stronger  component  is  85  and  the  weaker  87.  The
intensity  ratio  agrees  reasonably  well  with  the  accepted
atomic  weight  85-45.
 
===80.  Caesium  (At.  Wt.  132-81)===
Then  a  mixture  of
rubidium  chloride  and  caesium  chloride  was  used  evidence  of
a  Une  at  133,  measured  against  the  two  rubidium  lines,  was
soon  obtained.  Pure  caesium  chloride  was  then  substituted
and  the  utmost  possible  exposure  given  to  search  for  a  Hghter
component,  which  was  to  be  expected  from  the  fractional
chemical  atomic  weight  132-81,  Although  by  this  means  the
intensity  of  the  line  133  was  increased  to  a  satisfactory  pitch=
 
no  other  neighbouring  line  was  found.  If,  therefore,  a  fighter
isotope  of  caesium  exists  it  must  differ  from  133  by  many
 
1  V.  Chap.  V.
 
 
88  ISOTOPES
 
units  which  seems  very  unlikely  or  it  cannot  be  =
present  in
proportion  sufficient  to  account  for  the  fractional  atomic
weight  obtained  by  chemical  means.
 
===81.  Thompson's  work  on  Beryllium  (At.  Wt.  91)===
 
G.  P.  Thomson has  recently  investigated  the  Anode  rays
obtained  from  a  composite  anode  similar  to  that  devised  by
Gehrcke  and  Reichenheim  ^  and  has  subjected  them  to  analysis
by  the  parabola  method.  After  the  parabolas  of  the  isotopes
of  lithium  had  been  successfully  obtained  ^  he  went  on  to
investigate  the  element  beryllium.  The  best  results  were
obtained  from  a  mixture  of  sodium  bromide  and  berylhum
fluoride.  This  gave  a  single  strong  parabola  corresponding
to  an  atomic  weight  9  (Na  =3D  23).  The  accepted  chemical
atomic  weight  is  rather  higher,  so  a  careful  examination  was
made  to  discern  any  possible  faint  companions  at  10  or  11.
He  concludes  that  neither  of  these  can  be  present  to  any  sen-
sible extent,  and  therefore  that  beryUium  is  probably  a  simple
element.
 
===82.  Calcium  (At.  Wt.  4007)  and  Strontium  (At.  Wt. 87-63)===
Thomson  also  obtained  by  the  same  method  para-
bolas due  to  these  elements,  the  latter  very  faint,  but  the
resolution  at  his  disposal  was  too  low  to  decide  their  constitution.
From  the  position  of  the  strong  parabola  of  calcium  he  concludes that  one  or  more  of  the  atomic  weights  39,  40,  41  were
present ;  and  as  all  these  are  already  known  to  exist  as  isotopes
of  either  potassium  or  argon,  it  follows  that  calcium  must  be
an  isobare  of  one  or  other  of  these  elements.
 
===83.  Table  of  Elements  and  Isotopes===
The  following  Hst
tabulates  the  results  contained  in  this  and  the  previous  Chapter.
 
The  isotopes  of  complex  elements  are  given  in  the  order  of  the=
 
proportions  present.  Brackets  indicate  that  the  figures  are
provisional  only.
 
^  G.  P.  Thomson,  Phil.  Mag.,  42,  857,    1921.
 
2  V.  p.  80.
 
3  F.  p.  86.
 
*  F.  p.  148.
 
 
ANALYSIS  OF  THE  ELEMENTS
 
 
89
 
 
Table  of  Elements  and  Isotopes
 
 
Element.
 
Atomic
number.
 
Atomic
weight.
 
Minimum
 
number  of
 
isotopes.
 
Masses  of  isotopes  in  order  of
intensity.
 
H      .      .
 
1
 
1-008
 
1
 
1-008
 
He    .      .
 
2
 
4-00
 
1
 
4
 
Li      .      .
 
3
 
6-94
 
2
 
7.  6
 
Be    .      .
 
4
 
9-1
 
1
 
9
 
B      .      .
 
5
 
10-9
 
2
 
11,  10
 
C      .      .
 
6
 
12-00
 
1
 
12
 
N      .      .
 
7
 
14-01
 
1
 
14
 
0      .      .
 
8
 
16-00
 
1
 
16
 
F      .      .
 
9
 
19-00
 
1
 
19
 
Ne    .      .
 
10
 
20-20
 
2
 
20,  22,  (21)
 
Na    .      .
 
11
 
23-00
 
1
 
23
 
Mg    .      .
 
12
 
24-32
 
3
 
24,  25,  26
 
Si      .      .
 
14
 
28-3
 
2
 
28,  29,  (30)
 
P      .      .
 
15
 
31-04
 
1
 
31
 
S.      .      .
 
16
 
32-06
 
1
 
32
 
CI    .      .
 
17
 
35-46
 
2
 
35,  37,  (39)
 
A      .      .
 
18
 
39-88
 
2
 
40,  36
 
K      .      .
 
19
 
39-10
 
2
 
39,  41
 
Ni    .      .
 
28
 
58-68
 
2
 
58,  60
 
As    .      .
 
33
 
74-96
 
1
 
75
 
Br    .      .
 
35
 
79-92
 
2
 
79,  81
 
Kr    .      .
 
36
 
82-92
 
6
 
84,  86,  82,  83,  80,  78
 
Rb    .      .
 
37
 
85-45
 
2
 
85,  87
 
I        .      .
 
53
 
126-92
 
1
 
127
 
X      .      .
 
54
 
130-2
 
5,  (7)
 
129,    132,    131,    134,    136,
 
(128,  130  7)
 
Cs      .      .
 
55
 
132-81
 
1
 
133
 
Hg    .      .
 
80
 
200-6
 
(6)
 
(197-200),  202,  204
 
Ca
Zn
 
 
Dempster's  later  results  (F.  p.  148)
20  40-07  (2)  (40,  44  ?)
 
30  65-37  (4)  (64,  66,  68,
 
 
70)
 
==CHAPTER  VIII - THE  ELECTRICAL  THEORY  OF  MATTER==
 
===84.  The  Whole  Number  rule===
By  far  the  most  important
result  of  the  measurements  detailed  in  the  foregoing  chapters  is
that,  with  the  exception  of  hydrogen,  the  weights  of  the  atoms
of  all  the  elements  measured,  and  therefore  almost  certainly
of  all  elements,  are  whole  numbers  to  the  accuracy  of  experi-
ment, in  most  cases  about  one  part  in  a  thousand.  Of  course,
the  error  expressed  in  fractions  of  a  unit  increases  with  the
weight  measured,  but  with  the  lighter  elements  the  divergence
from  the  whole  number  rule  is  extremely  small.
 
This  enables  the  most  sweeping  simplifications  to  be  made  in
our  ideas  of  mass,  and  removes  the  only  serious  objection  to  a=
 
unitary  theory  of  matter.
 
===85.  The  Unitary  Theory  of  the  constitution  of  matter===
From  the  very  earhest  times  it  has  been  a  favourite  hj'pothesis
that  all  matter  is  really  composed  of  one  primordial  substance,
Air,  Fire,  Earth  and  Water  have  all  been  suggested  in  the  past.
The  first  definite  theory  of  the  constitution  of  the  atoms  of
the  elements  out  of  atoms  of  a  primordial  element  (Protyle,
Urstoff,  etc.)  was  made  by  Prout  in  1815.  ProuVs  Hypothesis
was  that  the  atoms  of  the  elements  were  different  aggregations
of  atoms  of  hydrogen .  On  this  view  it  is  obvious  that  the  atomic
weights  should  all  be  expressed  by  whole  numbers  when  the
atomic  weight  of  hydrogen  itself  is  taken  as  unity.  Owing  to
the  roughness  of  the  methods  available  and  the  considerable
inaccuracies  of  the  atomic  weight  determinations  made  at  that
time  there  was  fittle  to  disprove  the  hypothesis,  and  its  marked=
 
simplicity  gained  it  many  adherents.  But  as  time  went  on
chemical  methods  grew  more  precise  and  it  became  more  and
more  impossible  to  reconcile  experimental  results  with  integral
 
90
 
 
THE  ELECTRICAL  THEORY  OF  MATTER      91
 
combining  weights  until  the  evidence  against  it  was  strong
enough  to  cause  J.  S.  Stas  (1860-1865)  to  state:  "  I  have
arrived  at  the  absolute  conviction,  the  complete  certainty,  so
far  as  it  is  possible  for  a  human  being  to  attain  to  certainty =
in
such  matters,  that  the  law  of  Prout  is  nothing  but  an  illusion, =
a
mere  speculation  definitely  contradicted  by  experience."
 
Nevertheless,  though  abandoned  temporarily  by  the  chemist
as  impracticable,  the  idea  of  primordial  atoms  appealed  strongly
to  the  mind  of  the  philosopher  and  the  physicist.  Herbert
Spencer,  in  his  hypothesis  of  the  constitution  of  matter,  says :=
 
"All  material  substances  are  divisible  into  so-called  elementary
substances  composed  of  molecular  particles  of  the  same  nature
as  themselves  ;  but  these  molecular  particles  are  complicated
structures  consisting  of  congregations  of  truly  elementary
atoms,  identical  in  nature  and  differing  only  in  position,
arrangement,  motion,  etc,  and  the  molecules  or  chemical  atoms
are  produced  from  the  true  or  physical  atoms  by  processes  of
evolution  under  conditions  which  chemistry  has  not  been  able
to  reproduce."
 
The  discovery  of  the  electron,  the  proof  that  it  was  the  same
whatever  the  atom  from  which  it  was  detached  and,  most
important  of  all,  the  demonstration  by  Sir  J.  J.  Thomson  and
others  that  electricity  could  simulate  the  known  properties
of  matter,  gave  us  the  key  to  the  riddle  of  what  these  primordial
atoms  really  are.  The  only  serious  obstacle,  the  fractional
atomic  weights,  has  now  been  removed  so  that  there  is  nothing
to  prevent  us  accepting  the  simple  and  fundamental  conclusion :
The  atoms  of  the  elements  are  aggregations  of  atoms  of
positive  and  negative  electricity.
 
===86.  The  Atom  of  Negative  Electricity,  or  Electron===
The  fundamental  unit  of  negative  electricity  makes  its  appear-
ance in  physical  phenomena  in  many  guises,  such  as  the  cathode
ray  of  electrical  discharge,  the  beta  ray  of  radioactive  change,
the  thermion  of  the  wireless  valve.  A  very  complete  account  of
it  has  recently  been  published  by  Millikan^  so  that  it  is  not
proposed  to  describe  its  history  and  properties  at  any  length
 
^  The  Electron,  by  R.  A.  Millikan,  University  of  Chicago  Press,  =
1917.
 
 
92  ISOTOPES
 
here.  It  will  be  sufficient  to  note  a  few  of  its  more  important
constants.
 
Its  charge  e  is  given  by  Millikan  as  4-774  X  10  "  lo  E.S.U.
The  most  reliable  measurements  of  e/m  for  the  electron,  at  low
velocity,  give  the  value  5-30  x  10"  E.S.U.  Hence  its  mass  is
almost  exactly  9*00  X  10~  ^s  grg,^  i845  times  less  than  the  mass
of  the  hydrogen  atom,  or  0-00054  on  the  ordinary  scale  of  atomic=
 
weights  (Oxygen  =3D16).
 
===87. The  atom  of  Positive  Electricity,  or  Proton===
Our physical  knowledge  of  this  body  is  not  nearly  so  complete  as
that  of  its  counterpart  the  electron.  It  is  very  significant  that
in  no  analysis  of  positive  rays  so  far  performed  have  we  been
able  to  discover  a  particle  of  mass  less  than  that  of  the  hydrogen
atom.  This  direct  result,  supported  as  it  is  by  many  less  direct
lines  of  evidence,  leads  logically  to  the  conclusion  that  the
hydrogen  positive  ray,  i.e.  the  positively  charged  part  remain-
ing when  an  electron  is  detached  from  a  neutral  hydrogen  atom,
is  the  atom  of  positive  electricity  itself.  The  name  "proton"
was  suggested  for  it  by  Sir  Ernest  Rutherford  at  the  Cardiff
meeting  of  the  British  Association  in  1920.  The  charge  on  a
proton  is,  of  course,  equal  and  of  opposite  sign  to  that  on  the
electron.  Its  mass  in  the  free  state  has  been  measured  directly
and  is  practically  identical  with  that  of  the  neutral  atom  of
hydrogen  1-66  x  10"  ^^  grs.,  or  1-007  on  the  oxygen  scale.
 
===88.  The  Nucleus  Atom===
Certain  experimental  results,
notably  the  scattering  of  alpha  rays,  led  Sir  [[wikipedia:Ernest  Rutherford| Ernest  Rutherford]]
in  1911*  to  formulate  an  atom  model  which  has  resulted  in  the
most  remarkable  advances  in  both  physics  and  chemistry,  and
is  now  almost  universally  accepted  as  correct  in  fundamental
principle.  This  is  that  an  atom  of  matter  consists  of  a  central
massive  nucleus  carrying  a  positive  charge  which  is  surrounded,
at  distances  relatively  great  compared  with  its  diameter,  by
"planetary"  electrons.  The  central  nucleus  contains  aU  the
positive  electricity  in  the  atom,  and  therefore  practically  all  its
mass.  The  weight  of  the  atom  and  its  radioactive  properties
are  associated  with  the  nucleus;  its  chemical  properties  and
 
^  From  Greek  Trpwrov  first  the  primary  substance.
 
=C2=BB P.  67.  '  V.  p.  105.
 
*  Rutherford,  Phil.  Mag.  41,  669,    1911.
 
 
THE  ELECTRICAL  THEORY  OF  MATTER        93
 
spectrum,  on  the  other  hand,  are  properties  of  its  planetary
electrons.  It  is  clear  that  in  a  neutral  atom  the  positive  charg=
e
on  the  nucleus  must  be  equal  to  the  sum  of  the  negative  charges=
 
on  the  planetary  electrons.
 
===89.  Moseley's  Atomic  Numbers===
The  scattering  experiments mentioned  above  indicated  that  the  net  positive  charge
on  the  nucleus  (expressed  in  terms  of  the  natural  unit  e)  was
roughly  equal  to  half  the  atomic  weight.  Now  if  we  arrange  the
elements  in  order  of  atomic  weight,  starting  with  hydrogen,  each
element  will  have  a  position  the  number  of  which  will  be  about
half  its  atomic  weight.  It  was  suggested  by  Van  den  Broek
that  this  atomic  number  might  be  equal  to  the  charge  on  the
nucleus.  Two  years  after  the  formulation  of  the  nucleus  atom
theory  Moseley  undertook  an  investigation  of  the  changes  which
took  place  in  the  wave-length  of  the  X-rays  given  off  when
various  elements  were  used  in  turn  as  anticathodes.  The  result
of  this  piece  of  work,  now  classical,^  was  the  estabhshment  of  the
most  important  generaUsation  in  the  history  of  chemistry  since
Mendeleef 's  Periodic  Law.  Discussing  a  quantity  Q  related  to
wave-length  Moseley  writes:
 
"It  is  at  once  evident  that  Q  increases  by  a  constant  amount
as  we  pass  from  one  element  to  the  next,  using  the  chemical
order  of  the  elements  in  the  periodic  system.  Except  in  the
case  of  Nickel  and  Cobalt ,2  this  is  also  the  order  of  the  atomic
weights.  While,  however,  Q  increases  uniformly  the  atomic
weights  vary  in  an  apparently  arbitrary  manner,  so  that  an
exception  in  their  order  does  not  come  as  a  surprise.  We  have
here  a  proof  that  there  is  in  the  atom  a  fundamental  quantity,
which  increases  by  regular  steps  as  we  pass  from  one  element  to
the  next.  This  quantity  can  only  be  the  charge  on  the  central
positive  nucleus,  of  the  existence  of  which  we  already  have
definite  proof.  Rutherford  has  shown,  from  the  magnitude  of
the  scattering  of  a  particles  by  matter,  that  the  nucleus  carries
a
positive  charge  approximately  equal  to  that  of  A/2  electrons
when  A  is  the  atomic  weight.  Barkla,  from  the  scattering  of
X-rays  by  matter,  has  shown  that  the  number  of  electrons  in  an=
 
 
1  Moseley,  Phil.  Mag.,  26,  1031,    1913.
=C2=BBCf.  Barkla,  Phil.  Mag.,  14,  408,    1907.
 
 
94  ISOTOPES
 
atom  is  roughly  A/2,  which  for  an  electrically  neutral  atom  is
the  same  thing.  Now  the  atomic  weights  increase  on  the
average  by  about  2  units  at  a  time,  and  strongly  suggest  the
view  that  N  increases  from  atom  to  atom  always  by  a  single
electronic  unit.  We  are  therefore  led  by  experiment  to  the
view  that  N  is  the  same  as  the  number  of  the  place  occupied  by=
 
the  element  in  the  periodic  system.  This  atomic  number  is
then  for  H  1,  for  He  2,  for  Li  3 for  Ca  20 for
Zn  30,  etc.
This  theory  was  originated  by  Broek  ^  and  since  used  by  Bohr.
We  can  confidently  predict  that  in  the  few  cases  in  which  the
order  of  the  atomic  weights  A  clashes  with  the  chemical  order  of
the  periodic  system  the  chemical  properties  are  governed  by  N,
while  A  itself  is  probably  some  compHcated  function  of  N."
 
Subsequent  work  has  supported  in  an  unquestionable  manner
the  ideas  so  expressed  by  Moseley.  That  the  number  of  the
element  in  the  order  of  the  periodic  table  is  actually  the  same as
the  positive  charge  on  the  nuclei  of  its  atoms,  expressed  of
course  in  terms  of  the  natural  unit  of  electric  charge  e,  has  been
proved  by  direct  experiment  for  some  of  the  heavier  elements.
The  recent  work  of  Chadwick^  leaves  little  room  for  doubt  on
that  point.  At  the  other  end  of  the  scale  all  the  known  pro-
perties of  hydrogen  point  to  the  conclusion  that  its  atomic
number  is  1 ;  its  exceptional  atomic  weight,  as  will  be  seen  later,
is  itself  strong  corroborative  evidence  of  this.
 
A  complete  table  of  the  elements  with  their  Atomic  Numbers,
Atomic  Weights  and  isotopes  (where  these  are  known)  is  given
on  page  142.
 
From  Moseley's  law  of  atomic  numbers  the  explanation  of  the
empirical  rule  of  radioactive  transformation  given  on  page  11
follows  at  once.  An  alpha  particle  carries  two  positive  charges,
a  beta  particle  one  negative  one.  If  therefore  the  atom  of
a  radioactive  substance  emits  one  alpha  particle  from  its
nucleus  it  naturally  descends  two  units  in  atomic  number,  that
is  moves  back  two  places  in  the  periodic  table.  If  on  the  other
hand  it  emits  one  beta  particle  it  clearly  moves  forward  one
place,  for  by  the  operation  the  nucleus  has  acquired  one
additional  charge.
 
1  Van  den  Brock,  Phys.  Zeit.  14,  33,    1913.
'Chadwick,  Phil.  Mag.,l40,  734,    1920.
 
 
THE  ELECTRICAL  THEORY  OF  MATTER        95
 
===90.  The  Bohr  Atom===
In  this  atom  model  the  electrons
outside  the  nucleus  are  supposed  to  be  in  a  state  of  continual
revolution  about  it,  like  planets  round  the  sun.  This  rotation
is  considered  to  take  place  in  orbits  defined  in  a  very  special
manner  by  means  of  a  "  quantum  relation."  This  postulates
that  when,  and  only  when,  an  electron  changes  its  orbit,
radiation  is  given  out  and  the  energy  acquired  by  the  change  of
orbit  is  entirely  given  off  as  radiation  of  frequency  v  where  the
change  of  energy  equals  hv  where  h  is  Planck's  quantum  or
element  of  action  (6-55  x  10"  ^^  C.G.S.).^  This  theory  lends  itself
to  exact  mathematical  analysis  but  unfortunately  it  can  only  be
worked  out  adequately  for  the  two  simplest  cases,  the  neutral
hydrogen  atom  and  the  singly  charged  heUum  atom.  Here,
however, its  success  is  most  remarkable;  for  not  only  is  itpossible
to  calculate  by  its  means  the  wave  length  of  the  chief  series  lines
of  the  hydrogen  spectrum,  to  an  accuracy  almost  unprecedented
in  physics,  but,  by  applying  the  relativity  correction  for  change
of  mass  with  velocity  to  the  rotating  electron,  the  fine  structure
of  the  fines  and  the  effects  of  electric  and  magnetic  fields  have
been  predicted  with  the  most  astonishing  exactness  by  Sommerf eld,  Epstein  and  others.  Bohr  has  recently  expressed  the  hope
of  extending  his  theory  to  heavier  atoms  by  means  of  a  new
device  which  he  terms  the  principle  of  "correspondence."^
 
===91.  The  Lewis  Langmuir  Atom===
This  form  of  atom
model  was  primarily  designed  to  afford  some  theoretical  basis
for  the  numerous  general  quahtative  properties  of  elements  and
their  compounds.  In  it  the  electrons  outside  the  nucleus  are
supposed  to  be  at  rest  at,  or  vibrating  about,  definite  points.
The  first  two  electrons  wiU  form  a  pair,  the  next  eight  will  tend
to  set  in  positions  corresponding  to  the  eight  corners  of  a  cube,
or  some  other  soUd  figure,  and  so  on.  In  this  way  we  shall  get a
series  of  shells  or  sheaths  one  outside  the  other.  Langmuir  has
recently  *  reduced  his  postulates  to  the  following  three:
 
(1)  The  electrons  in  atoms  tend  to  surround  the  nucleus  in
 
iBohr,  Phil  Mag.  36,  1,  476,  857,    1913.
 
2  Sommerfeld,  Atombau  and  SpektralUnien,  Brunschweig,  1921.
 
3  Bohr,  Nature,  107,  104,    1921.
 
*  Langmuir,  Brit.  Assoc.  Edinburgh  meeting,  1921.
 
 
96  ISOTOPES
 
successive  layers  containing  2,  8,  8,  18,  18,  32  electrons  re-
spectively.
 
(2)  The  atoms  may  be  coupled  together  by  one  or  more
"  duplets  "  held  in  common  by  the  complete  sheaths  of  the
atoms.
 
(3)  The  residual  charge  on  the  atom  and  on  each  group  of
atoms  tends  to  a  minimum.
 
This  atom  model  is  not  amenable  to  mathematical  treatment,
but  it  has  been  exceedingly  successful  in  accounting  for  the
general  chemical  qualitative  properties  of  many  of  the  elements
and  in  predicting  those  of  their  compounds.
 
===92.  Diagrammatical  representation  of  atoms  of Isotopes  and  Isobares===
The  accompanying  diagrams  (Fig.
16)  are  intended  to  indicate  the  sort  of  arrangements  which
may  take  place  in  atoms.  The  smaU  dark  circle  is  the  nucleus,
the  number  of  protons  and  electrons  comprising  it  being  indi-
cated by  the  numerals.  The  electrons  outside  the  nucleus  are
indicated  by  small  Light  circles.
 
(1)  is  an  atom  of  atomic  weight  6.  Its  nucleus  contains  6
protons  and  3  electrons,  hence  its  atomic  number  is  3.  It  is  in=
 
fact  the  atom  of  the  lighter  isotope  of  lithium  of  atomic  weight=
 
6,  Li^.  To  be  electrically  neutral  it  must  have  3  electrons  out-=
 
side the  nucleus.  Now  the  principles  underlying  Langmuir's first
postulate  are  derived  from  the  Periodic  Table  and  are  certainly
correct.  Langmuir  explains  this  by  saying  that  the  first  two  of=
 
these  electrons  will  form  an  innermost  ring  or  shell  of  two.
This  sheU  being  now  complete,  any  more  electrons  will  go  out-
side and  start  the  next  shell  of  eight,  so  we  indicate  this  by=
 
putting  the  third  electron  in  a  circle  of  greater  diameter.
 
Now  suppose  we  add  one  electron  and  one  proton  to  this  atom.
If  both  enter  the  nucleus  we  shaU  get  the  configuration  repre-
sented by  (2)  The  nuclear  charge  is  unaltered,  so  that  the
arrangement  of  the  exterior  electrons  will  be  precisely  the  same-=
 
It  follows  that  all  properties  depending  on  these  electrons  such=
 
as  atomic  volume,  spectrum,  chemical  properties,  etc.,  will  be
quite  unaltered.  But  the  weight  of  this  atom  is  now  7,  so  it
is  an  isotope  of  lithium  ; '  it  is  actually  the  atom  of  the  he=
avier
constituent  Li^    (1)  and  (2)  are  Isotopes.
 
 
THE  ELECTRICAL  THEORY  OF  MATTER        97
 
But  now  suppose  we  add  a  proton  and  an  electron  to  (1)  so
that  the  proton  only  enters  the  nucleus  and  the  electron  remains=
 
outside  as  shown  at  (3)  We  shall  now  have  a  charge  4  on  the
nucleus  and  two  electrons  in  the  outer  ring.    The  chemical
 
 
0)  Atom  of  Li^
 
CZ)  Atom  of  Li^
 
(3)  Atom  of  hypothetical  isotope  of  Beryllium
 
(4--)  Atom  of  F
 
(5)  Atom  of  Ne^=C2=B0
 
re)  Atom  of  Ne^^
 
(7)  Atom  of  Na        O  =3D  Electron
 
Fig.  16.  Diagrammatic  Representation  of  Nucleus  Atoms.  The =
planetary
electrons  are  shown  as  lying  on  plane  circles,  the  first  containi=
ng  2,  the
second  8  and  so  on.  The  dark  circle  is  the  nucleus  and  the  +  =
and 
charges  within  it  are  indicated  by  figures.  (1)  and  (2)  are  Isot=
opes.  (2)
and  (3)  are  Isobares  and  (5)  and  (6)  are  Isotopes.
 
 
properties  of  such  an  atom,  if  it  could  exist,  would  be  completely
different  from  those  of  Uthium,  but  would  be  identical  with  those
of  beryUium,  of  which  it  would  be  an  isotope.  But  its  mass  is
clearly  identically  the  same  as  that  of  (2)  so  that  (2)  and  (3)
ARE  Isobares.
 
H
 
 
98  ISOTOPES
 
In  the  same  way  (4)  will  be  recognised  as  the  atom  of  fluorine=
 
(5)  and  (6)  as  the  atoms  of  the  two  isotopes  of  neon  and  (7)  =
as
the  atom  of  sodium.
 
===93.  The  relation  between  Isotopes  and  Elements  in  the same  Group===
As  far  as  can  be  seen  the  chemical  properties  by
which  the  elements  are  divided  into  groups  depend  practically
entirely  on  the  outermost  shell  of  electrons,  which  are  therefore
called  valency  electrons.  Now  consider  all  that  part  called  by
Langmuir  the  kernel  of  the  atom  lying  within  the  shell  of  these
valency  electrons.  The  movements  or  configuration  of  the
outermost  electrons  will  depend  in  the  first  degree  on  the  charge
on  the  kernel,  which  may  be  looked  upon  as  a  virtual  nucleus.
The  kernels  of  atoms  (1)  and  (7)  both  have  the  same  net  charge
1,  so  that  the  elements  they  represent  should  have  many  chemi-
cal similarities.  These  they  certainly  have  as  both  are  alkaU
metals.  In  general  the  atoms  of  elements  belonging  to  the
same  group  chemically  have  the  same  number  of  electrons  in
the  outer  shell  and  the  same  net  charge  on  the  kernel.  On  this
view  it  will  be  seen  that  the  similarity  of  isotopes  may  be
regarded  as  the  extreme  limiting  case  of  the  similarities  long
observed  between  elements  of  the  same  chemical  group.
 
===94.  Abnormal  compounds  formed  by  charged  atoms===
 
The  tendency  of  elements  to  form  compounds  with  each  other,
that  is  the  property  with  which  the  idea  of  valency  is  associated,
is  ascribed  to  the  tendency  of  the  atom  to  complete  its  outer
shell.  This  it  can  do  either  by  parting  with  the  electrons  in
this  sheU  and  so  promoting  the  next  inner  completed  shell  to
outer  position,  or  by  sharing  the  electrons  in  the  atom  of
another  element  so  that  they  fill  the  gaps  in  its  own  outer  shell.
We  have  already  alluded  to  the  success  which  has  attended
this  idea  in  explaining  valency  and  the  properties  of  chemical
compounds.  For  the  present  argument  it  will  be  enough  if
it  is  understood  that  lithium  and  sodium  (1)  (2)  (7)  will  very
readily  part  with  their  solitary  valency  electron  and  become
positively  charged,  i.e.,  will  be  strongly  electropositive  elements
with  valency  +  1  ;  whereas  a  fluorine  (4)  wiU  have  an  equally
powerful  tendency  to  take  up  an  electron  and  become  nega-
tively  charged    and    so    will  be    a    strongly    electronegative
 
 
THE  ELECTRICAL  THEORY  OF  MATTER        99
 
element  with  valency    1,  Both  of  these  tendencies  will  b=
e
satisfied  if  (4)  and  (7)  combine  forming  the  compound  molecule
NaF,  for  the  outer  electron  of  (7)  will  enter  the  outer  shell  o=
f
(4)  thus  forming  two  complete  shells  of  eight  (Langmuir's
octets).  We  trace  the  tendency  of  the  atom  of  fluorine,  or  any=
 
other  halogen,  to  form  compounds  with  the  atom  of  an  electro-
positive element,  or  with  the  atom  of  hydrogen,  to  the  fact
that  it  has  one  too  few  electrons  in  its  outer  shell.
 
Now  the  only  way  we  can  give  a  positive  charge  to  an  atom
of  neon  (5)  or  (6)  is  by  knocking  one  or  more  electrons  out  of=
 
its  outer  shell.  Suppose  we  remove  one  from  (5)  as  indicated
by  the  dotted  line.  (5)  now  will  have  a  similar  outer  shell  to=
 
(4)  and  a  valency    1,  so  we  may  expect  that  atoms  of  =
the
inert  gases  carrying  a  single  positive  charge  will  behave
chemically  in  a  similar  manner  to  neutral  halogen  atoms  and
will  therefore  be  capable  so  long  as  they  are  charged  of  forming=
 
hydrides.  This  very  important  idea  was  first  suggested  by
Sir  J.  J.  Thomson  in  connection  with  the  charged  atoms  of
chlorine  ^  and  certainly  supplies  a  very  satisfactory  explana-
tion of  the  very  abnormal  hydrides  of  inert  gases  and  com-
pounds such  as  OH3  discovered  in  positive  rays.  The  line
at  41  (Spectrum  VI,  Plate  III)  is  probably  to  be  put  down
to  a  charged  hydride  of  argon  of  this  type.  Exceedingly
faint  lines  at  5  in  the  case  of  hehum,  and  21  in  the  case  of=
 
neon,  are  probably  to  be  ascribed  to  similar  abnormal  compound
(HeH)  and  (NeH)  respectively.  In  the  case  of  atoms  carrying
more  than  one  charge  it  can  be  generally  stated  that  each
positive  charge  given  to  an  atom  wiU  increase  its  negative
valency  by  one.
 
===95.  The  failure  of  the  additive  law  in  respect  to  mass===
 
We  have  seen  that,  for  velocities  smaU  compared  with  that  of
light,  the  masses  of  the  proton  and  the  electron  may  be
regarded  as  universal  constants.  If  the  additive  law  were
strictly  true  as  regards  the  summation  of  their  masses  it  is
clear  that  any  mass  whatever,  whether  it  were  that  of  an  atom
or  a  molecule,  a  planet  or  a  star,  or  even  the  universe  itself=
 
could  be  expressed  in  the  form  NM  where  N  is  a  pure  integer
 
1  J.  J.  Thomson,  Proc.  Roy.  Soc.  99A,  90,    1921,
 
 
100  ISOTOPES
 
and  M  the  mass  of  the  neutral  system  1  proton  +  1  electron
( =3D  the  atom  of  hydrogen).  The  simplicity  of  this  idea,  which=
 
is  Prout's  theory  in  the  language  of  modern  physics,  is  extremely
attractive  ;  but  we  know  it  to  be  false,  for  although  the
discovery  of  isotopes  has  removed  the  difficulty  of  the  grosser
fractions  associated  with  such  elements  as  neon  and  chlorine,
we  are  still  left  with  the  more  minute  but  none  the  less  real
one  associated  with  hydrogen  itself.  To  explain  this  the
additive  law  must  be  qualified  by  some  such  reasoning  as  is
contained  in  the  following  paragraph.
 
===96.  The  explanation  of  the  fractional  mass  of  the hydrogen    atom    by the    hypothesis    of    ''packing" ===
 
According  to  generally  accepted  views  the  proton  and  the
electron  possess  mass,  or  what  on  the  relativity  theory  is
regarded  as  the  same  thing,  weight,  by  virtue  of  the  energy
in  the    electromagnetical  field    which    surrounds  them. It
can  easily  be  shown  on  classical  lines  that  if  we  give  it  a
spherical  form  a  charge  e  spread  uniformly  over  the  surface
of  the  sphere  will  have  a  mass  m  when  its  radius  a  is  such  th=
at
 
2    e^
m  =3D    ;  hence  to  give  the  electron  its  proper=
  mass  its  charge
 
must  be  compressed  to  a  sphere  of  diameter  about  3-8  x  lO"  ^^=
cm.  By  the  same  argument  the  proton  will  be  nearly  two
thousand  times  smaller  and  have  a  diameter  2-06  x  10"  ^^  cm.
The  extreme  range  of  the  diameter  of  atoms  themselves  is
1    5  X  10~^  cm.,  so  that  it  will  at  once  be  realised =
that  the
structure  of  an  atom  is  an  exceedingly  open  one,  even  more
so  than  that  of  our  solar  system.
 
Now  it  can  be  shown  that  if  we  bring  two  charges  of  opposite
sign  sufficiently  close  together  their  fields  will  aflfect  each
other  in  such  a  way  that  the  mass  of  the  system  will  be  reduced.
This  effect  is  quite  inappreciable  for  distances  comparable
with  the  diameter  of  an  atom,  but  begins  to  make  itself  felt
when  the  distance  apart  is  of  the  order  of  the  size  of  the  ele=
ctron
itself  as  given  above.  The  nucleus  of  the  atom  of  an  ordinary
element  (not  hydrogen)  contains  both  protons  and  electrons
and  is  very  small  compared  with  the  atom  itself.  Its  dimen-
BJons  can  be  roughly  determined  by  actual  experiment  in  the
 
 
THE  ELECTRICAL  THEORY  OF  MATTER      101
 
case  of  the  heavy  elements  and  are  found  to  be  so  small  that
even  to  get  in  the  electrons  alone  these  would  have  to  be
packed  very  closely  together.  Such  a  nucleus  wiU  contain
more  protons  than  electrons,  roughly  twice  as  many,  so  that
it  may  be  regarded  as  practically  certain  that :  In  the  =
nuclei
of  normal  atoms  the  packing  of  the  electrons  and  protons  is  so=
 
close  that  the  additive  law  of  mass  will  not  hold  and  the  mass =
of
the  nucleus  will  be  less  than  the  sum  of  the  masses  of  its  con=
-
stituent charges.
 
The  nucleus  of  a  hydrogen  atom  consists  of  one  single  free
proton,  its  planetary  electron  is  too  far  away  to  cause  any
effect  so  that  it  is  clear  that  we  shaU  find  the  mass  associate=
d
with  the  atom  of  hydrogen  greater  than  one -fourth  the  mass
of  a  hehum  atom  or  one-sixteenth  the  mass  of  an  oxygen
atom.  The  mass  lost  when  four  free  protons  and  two  free
electrons  are  packed  close  together  to  form  a  helium  nucleus
(No.  9,  p.  106)  is  roughly  0-7  per  cent,  of  the  whole  and  it  =
can
be  calculated  that,  if  we  take  the  value  of  the  diameter  of
the  electron  given  above,  the  protons  must  approach  nearer
than  half  of  this  to  give  so  large  a  reduction.  This  means  that=
 
the  charges  must  be  so  closely  packed  that  the  electrons  are
actually  deformed.
 
The  whole  number  rule  may  now  be  simply  translated  into
a  statement  that  the  mean  packing  effect  in  all  atoms  is
approximately  constant,  and  the  unit  of  mass  1  when  0=3D16
wiU  be  (mass  of  a  packed  proton)  -f  |  (mass  of  free  electron)=
 
+  I  (mass  of  packed  electron).  The  whole  number  rule  is  not,
and  never  was  supposed  to  be,  mathematically  exact,  for  this
would  imply  an  identical  packing  effect  in  the  case  of  all
atoms,  an  exceedingly  improbable  supposition.  It  is  almost
certain  that  atoms  of  some  elements,  such  as  nitrogen,  weigh
slightly  more  than  a  whole  number  (looser  packing)  while
those  of  others  such  as  caesium  or  iodine  may  weigh
slightly  less  (closer  packing).  The  Umit  of  accuracy  so  far
attained  in  mass-spectrum  measurement  is  not  sufficient  to
detect  a  change  of  the  order  expected,  except  in  the  case  of
hydrogen,  where  the  variation  in  mass  is  exceptionally  high.
 
===97. The  structure  of  the  nucleus===
The  manner  in  which
 
 
102  ISOTOPES
 
the  units  of  electricity  are  arranged  in  the  nucleus  of  an  atom
has  received  a  good  deal  of  attention  from  theorists  but  ideas
on  this  subject  are  almost  entirely  of  a  conjectural  character.
Thus  Harkins  ^  has  proposed  a  constitutional  formula  for  the
nuclei  of  all  the  elements.  In  this,  besides  electrons  and
protons,  he  uses  as  building  units  a  particles  (4  protons  +  2
electrons)  of  mass  4,  and  hypothetical  units  of  mass  3  with  a
single  positive  charge  (3  protons  +  2  electrons).  The  matter
has  been  more  recently  discussed  and  nucleus  models  sug-
gested by  Rutherford, 2  E.  Gehrcke  ^  and  others.
 
The  fact  that  the  helium  nucleus  is  almost  exactly  an
integer  on  the  oxygen  scale  that  is  to  say  helium  has  a=
pproxi-
mately normal  packing  gives  a  distinct  balance  of  probabili=
ty
that  helium  nuclei  actually  exist  as  such  in  the  nuclei  of  norma=
l
elements.  In  support  of  this  idea  it  has  been  stated  that  the
presence  of  heUum  nuclei  inside  the  nuclei  of  radioactive
atoms  is  definitely  proved  by  the  ejection  of  a  particles  by
the  latter.  In  the  writer's  opinion  this  is  much  the  same  as
saying  that  a  pistol  contains  smoke,  for  it  is  quite  possible
that  the  a  particle,  Hke  the  smoke  of  the  pistol,  is  only  forme=
d
at  the  moment  of  its  ejection.  Brosslera  *  defends  this  view
and  points  out  that  if  the  alteration  from  looser  to  closer
packing  of  the  charges  forming  the  particle  is  at  all  large
energy  will  be  liberated  amply  sufficient  for  the  purpose  of
detaching  it  and  giving  it  the  energy  of  an  a  ray.  The
reason  to  expect  that  this  energy  will  be  set  free  will  be
described  in  the  next  section.  Brosslera's  suggestion  that
in  the  nuclei  of  radioactive  atoms  there  are  loosely  bound
protons  and  electrons  and  that  these,  given  something  of  the
nature  of  a  certain  exact  and  instantaneous  correlation,
might  combine  to  form  an  a  particle  is  in  good  accordance
with  the  most  reasonable  theory  of  radioactive  disintegration,
which  was  first  put  forward  by  Lindemann.^
 
There  are  therefore  two  different  ideas  which  we  may  regard
 
1  Harkins,  Phys.  Rev.,  15,  73,    1920.
 
2  Rutherford,  Proc.  Roy.  Soc,  97A,  374,    1920.
 
3  Gehrcke,  Phys.  ZeiL,  22,  151,  1921.
 
*  Brosslera,  Rev.  Chwi.,  1,  42,  74,    1921.
=C2=BB  Lindemann,  Phil.  Mag.,  30,  560,    1915.
 
 
THE  ELECTRICAL  THEORY  OF  MATTER      103
 
as  working  hypotheses.  According  to  the  first  the  nuclei  of
atoms  consist  of  helium  nuclei,  or  a  particles,  held  together
in  some  way  so  that  their  packing  effect  wpon  each  other  is
small ;  and,  in  the  case  of  atoms  not  having  a  mass  of  the
type  4w,  additional  protons  and  electrons.  According  to
the  second  we  only  have  to  suppose  that  the  mean  packing
of  all  the  charges  in  the  nucleus  is  such  as  will  account  for  =
the
whole  number  rule  with  sufficient  exactness,  but  that  the
actual  arrangement  of  the  protons  and  electrons  need  not
necessarily  be  at  aU  similar  to  that  in  a  helium  nucleus.
 
The  experimental  evidence  is,  so  far,  definitely  in  favour
of  the  first  of  these  views.  In  their  remarkable  work  on  the
disintegration  of  light  atoms  by  the  collision  of  swift  a  rays
Rutherford  and  Chadwick  i  show  that  as  the  result  of  such
collisions  swift  hydrogen  rays,  i.e.  free  protons,  are  liberated
from  the  atoms  of  boron,  nitrogen,  fluorine,  sodium,  aluminium
and  phosphorus.  They  point  out  that  the  masses  of  the
atoms  of  aU  these  elements  are  of  the  types  4w  +  2  and
4w  -|-  3.  The  effect  is  not  obtained  from  atoms  of  the  type
471  so  that  this  result  suggests  that  in  these  the  protons  are=
 
already  all  bound  together  to  form  helium  nuclei.
 
===98.  Cosmical  effects  due  to  change  of  mass===
It  has
long  been  known  that  the  chemical  atomic  weight  of  hydrogen
was  greater  than  one  quarter  of  that  of  helium,  but  so  long  as
fractional  weights  were  general  there  was  no  particular  need
to  explain  this  fact,  nor  could  any  definite  conclusions  be
drawn  from  it.  The  results  obtained  by  means  of  the  mass-
spectrograph  2  remove  all  doubt  on  this  point,  and  no  matter
whether  the  explanation  is  to  be  ascribed  to  pacldng  or  not,
we  may  consider  it  absolutely  certain  that  if  hydrogen  is
transformed  into  helium  a  certain  quantity  of  mass  must  be
annihilated  in  the  process.  The  cosmical  importance  of  this
conclusion  is  profound  and  the  possibilities  it  opens  for  the
future  very  remarkable,  greater  in  fact  than  any  suggested
before  by  science  in  the  whole  history  of  the  human  race.
We  know  from  Einstein's  Theory  of  Relativity  that  mass
 
1  Rutherford  and  Chadwick,  Phil.  Mag.,  42,  809,    1921.
^  V.  p.  70.
 
 
104  ISOTOPES
 
and  energy  are  interchangeable  i  and  that  in  C.G.S.  units  a
mass  m  at  rest  may  be  expressed  as  a  quantity  of  energy
mc"^,  where  c  is  the  velocity  of  light.  Even  in  the  case  of  th=
e
smallest  mass  this  energy  is  enormous.  The  loss  of  mass  when
a  single  helium  nucleus  is  formed  from  free  protons  and
electrons  amounts  in  energy  to  that  acquired  by  a  charge  e
falling  through  a  potential  of  nearly  thirty  million  volts.  A
swift  a  ray  has  an  energy  of  three  to  four  million  volts  so  th=
at
the  change  of  packing  suggested  by  Brosslera  need  not  be
nearly  so  great  to  provide  the  energy  needed.  If  instead  of
considering  single  atoms  we  deal  with  quantities  of  matter
in  ordinary  experience  the  figures  for  the  energy  become
prodigious.
 
Take  the  case  of  one  gramme  atom  of  hydrogen,  that  is  to
say  the  quantity  of  hydrogen  in  9  c.c.  of  water.  If  this  is
entirely  transformed  into  helium  the  energy  liberated  will  be
 
0077  X  9  X  1020  =3D  6-93  X  lO^^  ergs.
 
Expressed  in  terms  of  heat  this  is  1-66  x  10^^  calories  or  in=
 
terms  of  work  200,000  kilowatt  hours.  We  have  here  at  last
a  source  of  energy  sufficient  to  account  for  the  heat  of  the
Sun.2  In  this  connection  Eddington  remarks  that  if  only
10  per  cent,  of  the  total  hydrogen  on  the  Sun  were  trans-
formed into  helium  enough  energy  would  be  liberated  to  main-
tain its  present  radiation  for  a  thousand  million  years.
 
Should  the  research  worker  of  the  future  discover  some
means  of  releasing  this  energy  in  a  form  which  could  be
employed,  the  human  race  will  have  at  its  command  powers
beyond  the  dreams  of  scientific  fiction ;  but  the  remote
possibility  must  always  be  considered  that  the  energy  once
liberated  will  be  completely  uncontrollable  and  by  its  intense
violence  detonate  all  neighbouring  substances.  In  this  event
the  whole  of  the  hydrogen  on  the  earth  might  be  transformed
at  once  and  the  success  of  the  experiment  published  at  large
to  the  universe  as  a  new  star.
 
^Eddington,  Time,  Space  and  Gravitation,  p.  146,  Cambridge,  1920.=
 
Eddington,  Brit.  Assoc,  address,  1920  ;    Perrin,  Scientia,=
  Nov.,  1921.
 
 
THE  ELECTRICAL  THEORY  OF  MATTER      105
 
===99.  The  stable  systems  of  protons  and  electrons known  to  occur===.  Starting  with  our  standard  bricks,  the
protons  and  electrons,  we  may  make,  theoretically  at  least,
an  infinity  of  systems  by  the  combination  of  any  number  of
each.  It  is  interesting  to  consider  the  systems  actually  occur-
ring in  practice,  that  is  to  say  those  which  are  sufficiently  sta=
ble
to  give  definite  evidence  of  their  existence.  The  follow-
ing table  gives,  in  order  of  mass,  the  first  twenty-four  known.
Where  the  circles  representing  the  charges  touch  each  other,
to  form  nuclei,  the  packing  is  extremely  close,  where  they  do
not  touch  they  are  to  be  taken  as  distant  thousands  of  times
further  from  each  other.  The  masses  of  the  first  twelve  are
deduced  as  follows  :  The  most  accurate  value  for  the  che=
mical
atomic  weight  of  hydrogen  is  1-0077  (0  =3D  16),  and  as  it  is  v=
ery
improbable  that  it  consists  of  isotopes  we  take  this  as  the
mass  of  a  neutral  hydrogen  atom.  The  mass  of  the  electron
is  0*00054  and  as  the  packing  effect  is  nil  we  arrive  at  the
figure  1-0072  for  the  mass  of  the  proton,  and  this  agrees  within=
 
the  experimental  error  with  that  directly  determined  by  the
mass-spectrograph.  The  most  probable  value  of  the  mass  of
a  neutral  helium  atom  is  4-00(0)  we  wiU  assume  the  last  figure=
 
for  the  sake  of  simplicity.  The  masses  of  (13)  to  (24)  are  less=
 
accurately  known.
 
The  stability,  where  known,  is  expressed  in  volts  and
represents  the  potential  through  which  a  charge  e  must  faU
in  order  to  acquire  sufficient  energy  to  disrupt  the  particular
configuration  concerned.  This  is  the  ionisation  potential  in
the  case  of  atoms.
 
 
106
 
 
ISOTOPES
 
 
^:s
 
 
i-e    =C2=A3
 
 
Nuclear
institution.
 
6
 
r
 
a
 
i^
 
O
 
0
 
-1
 
0-00054
 
1  +
 
+1
 
1-0072
 
1  +
 
0
 
1-0077
 
1  +
 
-1
 
1-0082
 
1  +
 
+1
 
2-0149
 
1  +
 
0
 
2-0154
 
1  +
 
+1
 
3-0226
 
1  +
 
0
 
3-0231
 
4+2-
 
+2
 
3-999
 
4+2-
 
+  1
 
3-999
 
4+2-
 
0
 
4-000
 
Description.
 
 
o
 
 
o
 
 
o        o
 
 
    o   
 
 
o        o
 
 
    o        o
 
 
  o      o      o
 
 
10
 
 
11
 
 
o
 
 
O  CO  o
 
 
14
 
 
4-3
 
 
small
 
 
small
 
 
&gt;3x  106
 
 
55
 
 
25
 
 
Electron
 
 
Proton      or
positively
charged  H
atom
 
Neutral      H
atom
 
Negatively-
charged  H
atom
 
Positively
charged  H
molecule
 
Neutral    Hg
molecule
 
Positively
charged
H3
 
Neutral  H,
 
 
Doubly
charged
heUum
atom      or
alpha  ray
 
Singly
charged
helium
atom
 
Neutral
helium
atom.
 
 
THE  ELECTRICAL  THEORY  OF  MATTER      107
 
 
^i
 
a  3
 
sl
 
&gt;&gt;
 
o
 
=C2=A71
^1
 
II
 
S
 
Description.
 
12
 
m
 
lo.
 
2
 
4+2-
 
+  1
 
5-007
 
Positively
charged
HeH
 
13
 
=C2=B0l
 
%
 
3
 
6  +  3-
 
+  1
 
6-0
 
Positively
charged
Li8  atom
 
14
 
J
 
io  o
 
3
 
6  +  3-
 
0
 
6-0
 
4-9*
 
Neutral  Li''
atom
 
15
 
6\
 
i
 
^o
 
3
 
7+4-
 
+  1
 
7-0
 
Positively
charged
Li'  atom
 
16
 
M
 
^  0    o
 
3
 
7+4-
 
0
 
7-0
 
4-9*
 
Neutral  Li'
atom
 
17
 
O    O  J
 
3
 
6+3-
 
0
 
6-0(07)
 
Neutral
 
Li^H
 
{
 
l^k      0
 
molecule
 
18
 
O  O  j
 
^^ 
 
3
 
7+4-
 
0
 
7-0(07)
 
Neutral
 
{
 
Li'H
 
#04
 
IC#
 
molecule
 
19
 
=C2=B08
 
&lt;^o  o
 
4
 
9  +  5-
 
+1
 
9-0
 
Positively
charged
Be  atom
 
20
 
4
 
9+5-
 
0
 
9-0
 
3-3*
 
Neutral    Be
atom
 
21
 
5
 
10  +  5-
 
+2
 
10-00
 
Doubly
charged
B^o  atom
 
22
 
oo|
 
^      o
)#0=C2=A9      o
 
5
 
10  +  5-
 
0
 
10-00
 
Positively
charged
B^  atom
 
23
 
o  ot
 
1
 
5
 
10  +  5-    0
 
10-00
 
Neutral    B^"
 
-
 
atom
 
24
 
=C2=B0^
 
3=C2=B0  =C2=B0
 
5
 
11+6-
 
+2
 
11-00
 
Doubly
charged
B"  atom
 
*  Calculated  from  frequency  of  radiation.
 
==CHAPTER  IX -  ISOTOPES  AND  ATOMIC  NUMBERS==
 
100.  The  relation  between  chemical  atomic  weight
and  atomic  number.  Inasmuch  as  it  is  now  recognised
to  be  in  general  merely  a  statistical  mean  value  the  importance=
 
of  the  chemical  atomic  weight  has  been  greatly  reduced  by
the  discovery  of  isotopes.  Its  position  as  the  natural  numerical=
 
constant  associated  with  an  element  has  been  taken  by  the
atomic  number,  though  from  the  point  of  view  of  chemical
analysis  the  chemical  atomic  weight  is  just  as  important  as
it  ever  was.
 
The  possibility  of  anomalies  in  the  order  of  the  elements
in  the  periodic  table  when  their  chemical  atomic  weights  are
considered,  is  now  obvious  enough.  The  true  weights  of  the
atoms  as  directly  determined,  are  so  intermingled  in  the  order
of  the  natural  numbers  and  the  proportions  present  in  complex
elements  so  varied  that  such  anomalies  are  bound  to  occur,
indeed  it  is  rather  surprising  there  are  not  more.
 
The  following  table  (Fig,  17)  shows  the  masses  of  the  isotopes
of  three  groups  of  elements  now  completely  investigated.  The
approximate  proportions  present  are  indicated  by  the  heights
of  the  columns  ;  plain  for  the  alliali  metals,  black  for  the  in=
ert
gases,  and  hatched  for  the  halogens.  The  anomalous  order
of  argon  and  potassium  is  at  once  seen  to  be  due  to  the  fact=
 
that  whereas  the  heavier  constituent  of  argon  is  present  in
much  the  greater  proportion,  in  potassium  the  reverse  is  the
case.  Had  the  proportions  of  heavier  and  Ughter  isotopes
been  similar  in  each  case  the  atomic  weight  of  potassium  would
have  been  greater  instead  of  less  than  that  of  argon.
 
108
 
 
ISOTOPES  AND  ATOMIC  NUMBERS
 
 
109
 
 
:s
 
 
19
 
 
20
 
 
21
 
 
22        23
 
 
Fluorine  (9)  Neon  (10)
Sodium  (11)
 
 
35        36        37        38        39        40        41
 
(Chlorine  17)  Argon  (18)
Potassium  (19)
 
 
=C2=A5
 
 
1
 
 
I-D
 
 
78
 
 
I
 
127
 
 
79        80        81        82        83        84        85        86  =
      87
Bromine  (35)  Krypton  (36)  Rubidium  (37).
 
 
I    n
 
 
W
 
 
136
 
 
128    129      130    131    132      133      134      135
Iodine  (53)  Xenon  (54)  Caesium  (55)
 
Fig.  17.  Isotopes  of  the  Halogens,  the  inert  gases  and  t=
he  alkali  metals.
 
101.  Statistical  relations  exhibited  by  elements  and
their  isotopes.  -Although  our  knowledge  of  true  atomic
weights  is  far  from  complete,  for  out  of  eighty-seven  existing
elements  only  twenty-seven  have  been  analysed,  of  which
thirteen  are  simple,  interesting  relations  have  already  become
clear  which  are  stated  in  the  form  of  rules  as  follows  : =E2=80=
=94
 
In  the  nucleus  of  an  atom  there  is  never  less  than  one  electron=
  to
every  two  protons.  There  is  no  known  exception  to  this  law.
It  is  the  expression  of  the  fact  that  if  an  element  has  an  ato=
mic
number  N  the  atomic  weight  of  its  lightest  isotope  cannot  be
less  than  2N.  Worded  as  above,  the  exception  in  the  case  of
hydrogen  is  avoided.  True  atomic  weights  corresponding
exactly  to  2N  are  known  in  the  majority  of  the  Ughter  elements=
 
]jp  to  A^^    Among  the  heavier  elements  the  difference  between
 
 
110  ISOTOPES
 
the  weight  of  the  lightest  isotope  and  the  value  2N  tends  to
increase  with  the  atomic  weight ;  in  the  cases  of  mercury  it
amounts  to  37  units.  The  corresponding  divergence  of  the
mean  atomic  weights  from  the  value  2N  has  of  course  been
noticed  from  the  beginning  of  the  idea  of  atomic  number.
 
The  number  of  isotopes  of  an  element  and  their  range  of
atomic  weight  appear  to  have  definite  limits.  Since  the
atomic  number  only  depends  on  the  net  positive  charge  in
the  nucleus  there  is  no  arithmetical  reason  why  an  element
should  not  have  any  number  of  possible  isotopes.  An
examination  of  the  tables  of  results  given  on  p.  89  and
at  the  end  of  the  book  show  that  so  far  the  largest  number
determined  with  certainty  is  6  in  the  case  of  krypton.  It
is  possible  that  xenon  has  even  more,  but  the  majority  of
complex  elements  have  only  two  each.  The  maximum  differ-
ence between  the  lightest  and  heaviest  isotope  of  the  same
element  so  far  determined  is  8  units  in  the  cases  of  krypton
and  xenon.  The  greatest  proportional  difference,  calculated
on  the  lighter  weight,  is  recorded  in  the  case  of  lithium,  where=
 
it  amounts  to  one-sixth.  It  is  about  one-tenth  in  the  case  of
boron,  neon,  argon  and  krypton.
 
The  number  of  electrons  in  the  nucleus  tends  to  be  even.  This
rule  expresses  the  fact  that  in  the  majority  of  cases  even
atomic  number  is  associated  with  even  atomic  weight
and  odd  with  odd.  If  we  consider  the  three  groups  of
elements,  the  halogens,  the  inert  gases  and  the  alkah  metals,
this  tendency  is  very  strongly  marked.  Of  the  halogens  od=
d
atomic  numbers  all  6  (  +  1  ?)  atomic  weights  are  odd.  =
Of
the  inert  gases  even  atomic  numbers  13  (+  2  ?)  =
are  even  and
3  odd.  Of  the  alkali  metals  odd  atomic  numbers  7=
  are
odd  and  1  even.  In  the  few  known  cases  of  elements  of  the
other  groups  the  preponderance,  though  not  so  large,  is  still
very  marked  and  nitrogen  is  the  only  element  yet  discovered
to  consist  entirely  of  atoms  whose  nuclei  contain  an  odd  number=
 
of  electrons.
 
A  further  interesting  result  is  the  absence  of  isobares.  So
far  none  have  been  definitely  identified,  but  it  is  quite  obvious=
 
that  in  the  cases  of  elements  such  as  calcium  and  selenium  they=
 
must  exist,  for  the  supply  of  integers  in  the  region  of  their
 
 
ISOTOPES  AND  ATOMIC  NUMBERS  HI
 
atomic  weights  have  been  exhausted  by  the  needs  of  other
elements.
 
A  table  of  the  first  40  natural  numbers  and  the  true  atomic
weights  corresponding  to  them  is  given  in  Fig.  18.    The  gaps
 
 
H
 
He
 
Li
 
Li
 
Be
 
B
 
B
 
c
 
N
 
O
 
F
 
Ne
 
1
 
2      3      4^      5      6      7      8      9      10    11    =
  12
 
13    14
 
15    16    17
 
18
 
19    20
 
Ne
 
Na
 
Mg
 
m
 
Mg
 
Al?
 
Si
 
Si  Si?
 
P
 
s
 
CI
 
A
 
CI
 
K
 
A
 
21
 
22
 
23
 
24
 
25
 
26
 
27
 
28
 
29
 
30
 
31
 
32
 
33
 
34
 
35
 
36
 
37
 
38
 
39
 
40
 
Fig.  18.  The  first  40  natural  numbers,  showing  those  occ=
upied
by  atomic  weights  of  known  elements.
 
are  particularly  interesting  and  seem  to  show  no  semblance
of  regularity.  It  is  very  clear  that  many  more  experimental
results  will  have  to  be  obtained  before  any  satisfactory  theory
for  the  occurrence  of  these,  or  of  the  other  laws,  is  to  be  fo=
rmu-
lated.
 
102.  The  preponderance  of  elements  of  even  atomic
number.  In  discussing  the  nuclear  structure  of  elements
the  question  of  their  relative  abundance  in  nature  is  one  of
great  interest.  This  may  be  estimated  by  direct  chemical
analysis  of  the  Earth's  crust,  and  such  extra-terrestrial  sources=
 
as  are  available  in  the  form  of  meteorites.  The  spectroscope
will  teU  us  what  elements  are  present  in  the  stars,  but  unfortu-=
 
nately it  does  not  give  much  direct  information  as  to  their
relative  quantities.
 
On  this  question  we  can  classify  to  use  biological  terms=
 
either  by  individuals  or  by  species.  We  may  examine  the=
 
percentage  composition,  which  wiU  give  a  measure  of  the  total
number  of  individual  atoms  of  each  element  present,  or  we
may  inquire  into  the  number  of  different  nuclear  species  which
occur  and  classify  them  without  respect  to  their  individual
abundance.
 
A  very  valuable  discussion  from  the  first  point  of  view  has
been  published  by  Harkins,^  who  considers  the  percentage
composition  of  meteorites  and  of  parts  of  the  Earth's  crust.
He  demonstrates  in  a  most  convincing  manner  that  there  are
 
^Harkins,  Jour.  Amer.  Chem.  Soc,  39,  856,    1917.
 
 
112  ISOTOPES
 
immensely  more  atoms  of  elements  of  even  atomic  number.
This  interesting  preponderance  can,  with  a  reasonable  amount
of  probability,  now  be  extended  to  even  atomic  weight,  by
the  statistics  given  in  the  preceding  paragraphs,  but  it  will
not  be  certain  until  the  constitution  of  certain  abundant
elements  such  as  iron  has  been  actually  determined.
 
The  second  point  of  view  can  be  examined  by  means  of  the
atomic  weights  of  the  radioactive  isotopes  and  also  by  the  true=
 
atomic  weights  given  by  the  mass-spectra.  In  both  cases
nuclear  systems  of  even  atomic  number  are  found  to  predomi-
nate. The  mass-spectra  of  13  elements  of  even,  and  14  ele-
ments of  odd  atomic  number  indicate  32  isotopes  of  even
atomic  number  and  20  of  odd.  The  average  element  of  even
atomic  number  has  therefore  2-5  isotopes  to  1-4  for  each  element=
 
of  odd  atomic  number.
 
The  table  on  p.  15  shows  that  among  the  radioactive  isotopes
the  preponderance  is  greater  32  as  against  10  but=
  it  is
possible  that  the  former  figure  may  include  some  atomic
systems  absolutely  identical  though  of  different  origin.
 
103.  The  constancy  of  chemical  atomic  weights.
 
One  of  the  first  difficulties  in  the  way  of  accepting  the  idea  =
of
the  complex  constitution  of  an  element  such  as  chlorine  was
the  constancy  of  its  atomic  weight.  This  had  been  determined
by  many  different  observers  using  different  methods  and  the
results  were  always  the  same  within  a  very  small  experimental
error.  This  difficulty  may  be  met,  in  the  first  place,  by  noting=
 
that  the  vast  majority,  if  not  all,  of  the  really  accurate  value=
s
were  obtained  from  chlorine  which  must  have  been  originally
derived  from  the  sea.  The  sea  has  been  mixed  for  so  long
that  it  would  be  absurd  to  expect  to  find  chlorines  of  different=
 
chemical  atomic  weights  in  it.  Had  ordinary  galena  been
the  only  source  of  lead  used  in  the  atomic  weight  determina-
tions given  on  page  16  no  difference  would  have  been  found.
It  was  only  by  examining  the  lead  from  extraordinary  radio-
active sources  that  the  results  were  obtained  which  gave  such
definite  and  valuable  support  to  the  theory  of  isotopes.
 
The  atomic  weight  of  chlorine  from  sources  other  than  the
sea  is  now  receiving  the  attention  of  chemists,  though  it  is
 
 
ISOTOPES  AND  ATOMIC  NUMBERS  113
 
naturally  very  difficult  to  be  at  all  sure  that  any  known  source=
 
of  chlorine  is  not  of  marine  origin.  Mile.  Irene  Curie  ^  has
examined  the  atomic  weight  of  chlorine  from  three  minerals
whose  marine  origin  seems  unlikely.  The  values  obtained
from  a  sample  of  sodalite  (sodium  aluminium  chlorosilicate)
from  Canada,  and  from  a  sample  of  calcium  chlorophosphate
from  Norway  agree  with  the  value  for  chlorine  from  sea-water.
The  value  35-60,  for  chlorine  from  a  sample  of  sodium  chloride
from  a  desert  region  in  Central  Africa  was  slightly  high.
 
The  comparison  of  the  atomic  weights  of  terrestrial  and
meteoric  nickel  made  by  Baxter  and  Parsons  ^  is  interesting
in  this  connection.  As  a  mean  of  nine  determinations  with
the  terrestrial  material  the  figure  58-70  was  found,  whilst
three  experiments  with  meteoric  nickel  gave  58-68.  The
standard  value  found  by  Richards  and  Cushman  was  58-68
(Ag  =3D  107-88).  The  difference  found  between  terrestrial  and
meteoric  nickel  is  considered  to  be  within  the  limits  of  experi-=
 
mental error,  but  further  comparisons  are  to  be  made.
 
The  writer  regards  these  negative  results  as  having  a  cause
probably  much  more  fundamental  than  the  mere  mechanical
mixing  of  the  different  constituent  isotopes  during  the  history
of  the  body  containing  them,  namely  a  constancy  of  proportion
during  the  evolution  of  the  elements  themselves.  This  will
be  considered  later.  The  case  of  the  radioactive  leads  is
entirely  exceptional.  These  substances  have  been  produced
continuously  during  the  history  of  the  earth's  crust  and  are
being  so  produced  to-day.  Although  ordinary  lead  may  con-
sist of  isotopes  which  is  practically  certain  and  =
these  isotopes
may  be  identical  in  every  respect  with  those  produced  in  the
last  stage  of  radioactive  disintegration,  yet  there  is  no  reason=
 
whatever  to  assume  that  ordinary  lead  is  itself  the  accumulated
result  of  these  processes.  It  takes  its  place  among  the  other
ordinary  elements  and  would  doubtless  have  done  so  had
thorium  and  uranium  never  existed.
 
104.  The  agreement  between  the  chemical  atomic
weight  and  the  mean  atomic  weight  deduced  from  the
mass  spectrum.  The  mean  atomic  weight  of  the  isotopes
 
II.  Curie,  Compt.  Retid.  172,  1025,    1921.
 
*  Baxter  and  Parsons,  Jour.  Amer.  Chem.  Soc,  43,  607,    1921.
 
I
 
 
114
 
 
ISOTOPES
 
 
of  a  complex  element  can  be  calculated  if  the  relative  intensitie=
s
of  their  lines  in  the  mass-spectrum  is  known.  This  has  been
directly  measured  by  Dempster.  ^  The  charged  particles  of
isotopes  of  the  same  element  are  practically  certain  to  afEect
the  photographic  plate  to  the  same  extent  as  each  other,
hence  we  can  obtain  a  rough  estimate  of  their  relative  pro-
portion by  comparing  the  intensities  of  the  lines.  If  this  is
done  it  is  found  that  the  great  majority  of  the  elements  so
far  tested  give  mean  results  in  good  agreement  with  the
accepted  chemical  values.  The  following  table  gives  the  data
concerning  four  in  which  the  difference  is  noteworthy  : =
 
 
 
Element.
 
Atomic
Weight.
 
Mean  from
Mass-spectrum.
 
Difference.
 
Per  cent.
Difference.
 
Boron  ....
Krypton    .
Xenon
Caesium
 
10-90
82-92
130-2
132-81
 
10-75^0-07
83-5  =C2=B10-3
131-3  =C2=B10-3
133      =C2=B10-3
 
0-15
0-6
1-1
0-2
 
1-37
 
0-72
0-85
0-05
 
The  case  of  boron  is  the  most  difficult  to  account  for.  The
masses  of  its  isotopes  10  and  11  certainly  do  not  differ  from
integers  by  more  than  one  or  two  parts  in  a  thousand.  The
ratio  of  the  intensities  of  their  second  order  lines  5  and  5-5=
 
(and  there  were  no  other  substances  present  which  could
possibly  give  such  lines)  is  equally  certainly  not  as  high  as
9:1.  It  was  for  this  reason  that  a  third  isotope  12  was
suspected,  but  as  no  evidence  of  this  has  been  found  it  seems
most  probable  that  the  chemical  atomic  weight  is  still  slightly
too  high.
 
The  atomic  weights  of  krypton  and  xenon  are  not  of  course
chemical  in  the  ordinary  sense,  as  they  are  deduced  direct
from  density  determinations.  Any  trace  of  the  impurity  most
likely  to  be  present,  argon  in  the  first  case,  krypton  in  the
second,  would  tend  to  make  the  densities  too  low,  and  this
appears  the  most  hkely  explanation.
 
In  the  case  of  caesium  the  chemical  result  may  be  correct,
for  the  probable  error  in  the  determination  of  mass  is  at  least=
 
as  large  as  the  discrepancy.    On  the  other  hand  caesium
 
1  V.  p.  81.
 
 
ISOTOPES  AND  ATOMIC  NUMBERS  115
 
appears  to  be  a  simple  element,  in  which  case  its  chemical
atomic  weight  must  represent  the  true  weight  of  its  atoms.
Any  error  in  this  figure  would  probably  be  of  the  sign  suggested=
,
for  it  is  the  heaviest  member  of  its  chemical  group.  If,  how-
ever, as  is  possible,  the  true  mass  of  its  atom  differs  from  an=
 
integer  by  as  much  as  0-2  it  is  a  fact  of  the  greatest  interes=
t.
 
105.  The    meaning    of    the    word    "  element."  The
 
exact  idea  conveyed  by  the  word  "  element  "  in  chemistry
and  physics  has  given  rise  to  endless  difficulties  in  the  past.=
 
In  this  connection  Crookes  in  1886  sums  up  the  matter  as
follows  :  "  Of  the  attempts  hitherto  made  to  define  or  =
explain
an  element,  none  satisfy  the  demands  of  the  human  intellect.
The  textbooks  tell  us  that  an  element  is  '  a  body  which  has
not  been  decomposed  '  ;  that  it  is  '  a  something  to  which  we=
 
can  add,  but  from  which  we  can  take  away  nothing,'  or  '  a
body  which  increases  in  weight  with  every  chemical  change.'
Such  definitions  are  doubly  unsatisfactory  :  they  are  provi-
sional, and  may  cease  to-morrow  to  be  applicable  to  any
given  case.  They  take  their  stand,  not  on  any  attribute  of
things  to  be  defined,  but  on  the  limitations  of  human  power  ;
they  are  confessions  of  intellectual  impotence."
 
There  was  good  reason  for  this  dissatisfaction.  The  dis-
covery ten  years  later  of  the  electron,  and  the  subsequent
electrical  theory  of  matter  robbed  the  word  of  any  pretence
to  its  original  meaning  ;  for  although  Ramsay  attempted  to
introduce  into  chemistry  electricity  itself  as  an  element,  it
soon  became  obvious  that  this  extension  was  unsuitable.  The
discovery  of  isotopes  brings  us  face  to  face  with  two  possible
alternatives.  The  first  is  to  call  each  isotope,  as  it  is  dis-=
 
covered, a  new  element.  The  second  is  to  fix  the  word  pre-
cisely, now  and  for  the  future,  as  meaning  a  substance  with
definite  chemical  and  spectroscopic  properties  which  may  or
may  not  be  a  mixture  of  isotopes  in  other  words  to  asso=
ciate
it  exclusively  with  the  conception  of  atomic  number.  On
this  view  there  would  be,  corresponding  to  Moseley's  numbers,
92  possible  elements,  of  which  87  are  known.
 
If  we  adopt  the  first  of  these  alternatives  a  new  word  will
be  necessary  to  express  such  substances  as  chlorine  or  mag-
 
 
116  ISOTOPES
 
nesium,  hitherto  called  elements,  and  also  the  word  element
would  mean  something  entirely  different  from  what  it  has
meant  in  all  the  chemical  and  physical  Uterature  of  the  past
century.  It  would  moreover  be  still  subject  to  alterations  in
the  future.
 
In  the  opinion  of  the  writer  the  second  alternative  the=
 
association  of  element  with  atomic  number  is  much  the
more  preferable.  The  difficulties  arising  from  it  are  practi-
cally confined  to  the  radioactive  substances  which  can  differ
from  one  another  even  when  their  atomic  numbers  and  atomic
weights  are  identical.  This  is  not  very  serious,  for  the  radio-=
 
active elements  are  in  a  class  by  themselves  and  the  special
nomenclature  already  applied  to  them  could  be  retained  or  re-
vised as  convenient  without  affecting  that  of  general  chemistry.
 
106.  Disintegration  theory  of  the  evolution  of  the
elements.  A  theory  has  been  put  forward  by  some  writers=
 
that  all  the  elements  occurring  in  nature  are  the  result  of
radioactive  disintegrations  of  the  ordinary  type,  but  continued
far  beyond  the  ordinary  limit  observed  at  present.  For
instance,  if  we  continue  the  a  ray  changes  of  the  thorium  series=
 
far  enough  we  shall  ultimately  reach  helium.  The  emission
of  an  a  particle  is  the  only  change  known  to  occur  which  alters=
 
the  atomic  weight  and  it  always  does  so  by  4  units  at  a  time.=
 
Hence  from  thorium  we  shall  get  a  series  of  elements  or  iso-
topes of  atomic  weights  from  232  to  4  of  the  general  type  4w.
Uranium  in  the  same  way  will  yield  a  similar  series  of  the  type=
 
4:71  +  2.  In  order  to  obtain  isotopes  of  odd  atomic  weight
it  is  necessary  to  postulate  parent  elements  of  the  type  4n  +  1=
 
and  4:%  -f  3.
 
Using  hypotheses  based  on  this  general  idea  Van  den  Broek,  ^
Harkins,^  Kohlweiler,^  Kirchoff  ^  and  others  have  built  up  the
most  elaborate  systems  of  isotopes,
 
1  Van  den  Broek,  Phys.  Zeit.,  17,  260,  579,      1  916  ;    23,  =
164,      1921.
 
"Harkins  and  Wilson,  Jour.  Am.  Chem.  Soc,  37,  1367,  1915  ;  Har-=
 
kins  and  Hall,  ibid.,  38,  169,  1916  ;  Harkins,  Phys.  Rev.,  15,  =
73,
1920;  Nature,  105,  230,  1920;  Jour.  Amer.  Chem.  Soc,  42,  1956,
1920  ;    PhU.  Mag.,  42,  305,    1921.
 
*  Kohlweiler,  Zeit.  fur  physikal.  Chem. ,  94,  51 3,  1 920  ;  Phys.=
  Zeit. ,  21,
311,  543;  22,  243,    1921.  *  Kirchoff,  idid.,  21,  711,    1920.=
 
 
 
ISOTOPES  AND  ATOMIC  NUMBERS  117
 
The  writer  regards  this  view  as  unhkely  and  misleading.
In  the  first  place  it  does  not  appear  to  succeed  in  its  objects=
.
As  an  explanation  of  how  the  elements  may  have  been  evolved
it  starts  with  at  least  fom:  elements  as  complicated  as  any
known  to  exist,  which  does  not  advance  the  inquiry  very
much.  On  the  other  hand  it  may  be  used  to  predict  the
atomic  weights  of  the  isotopes  composing  known  elements,
and  a  great  many  predictions  of  this  kind  have  been  made.
Here,  though  the  measure  of  its  success  has  varied  to  some
extent  with  the  particular  modification  of  the  theory  employed,
it  has  never  been  worthy  of  serious  consideration.  In  cases
where  two  or  three  isotopes  of  a  given  element  were  pre-
dicted they  proved  as  often  wrong  as  right,  and  when  the
number  of  isotopes  of  integral  atomic  weights  was  so  large
that  some  agreements  were  inevitable  the  argument  obviously
loses  all  its  force.
 
Another  objection  is  that  radioactive  transformations  do
not  continue,  as  far  as  we  can  see,  beyond  the  stage  (lead)
indicated  in  the  diagrams  on  p.  15.  The  lighter  elements  are
definitely  not  radioactive.  The  radioactivity  of  potassium
and  rubidium  is  exceedingly  small  and  its  nature  doubtful ;
in  any  case  it  is  best  ascribed  to  minute  vestiges  of  radioactiv=
e
isotopes,  not  to  feeble  radioactivity  of  the  main  constituents.
It  seems  therefore  more  reasonable,  for  the  present,  to  regard
the  property  of  radioactivity  as  absent  entirely  from  the
inactive  elements  than  to  suppose  it  present  but  too  weak  to
be  detected.  It  must  not  be  gathered  from  these  remarks
that  it  is  considered  impossible  to  imagine  physical  conditions
violent  enough  to  disrupt  the  nuclei  of  light  atoms,  but  rather=
 
that  the  mechanism  causing  such  disruption  need  not  be
similar  in  any  way  to  that  causing  normal  radioactivity.
 
107.  Grookes'  theory  of  the  evolution  of  the  elements.
 
  A  more  attractive  theory  than  the  one  given  abo=
ve  is  that
the  complex  atoms  of  matter  have  been  evolved  by  the  aggre-
gation of  simpler  atoms.    This  idea  has  received  a  good  deal  of=
 
attention  in  the  past.    Crookes^  remarks  on  it  as  follows  : =E2=
=80=94
"  Let  us  picture  the  very  beginnings  of  time,  before  geological=
 
 
^  Crookes,  Brit.  Assoc,  address,  1886.
 
 
118  ISOTOPES
 
ases,  before  the  earth  was  thrown  off  from  the  central  nucleus
of  molten  fluid,  before  even  the  sun  himself  had  consolidated
from  the  original  pivtyle.  Let  us  still  imagine  that  at  this
primal  stage  aU  was  in  an  ultra-gaseous  state,  at  a  temperature=
 
inconceivably  hotter  than  anything  now  existing  in  the  visible
universe  ;  so  high  indeed  that  the  chemical  atoms  could  not
yet  have  been  formed,  being  still  far  above  their  dissociation
point.  In  so  far  as  protyle  is  capable  of  radiating  or  reflectmg=
 
light,  this  vast  sea  of  incandescent  mist,  to  an  astronomer  in  a=
 
distant  star,  might  have  appeared  as  a  nebula,  showing  in
the  spectroscope  a  few  isolated  hues,  forecasts  of  hydrogen,
carbon  and  nitrogen  spectra.
 
"  But  in  due  course  of  time  some  process  akin  to  cooling,
probably  internal,  reduces  the  temperature  of  the  cosmic
protyle  to  a  pomt  at  which  the  first  step  in  granulation  takes=
 
place  ;  matter  as  we  know  it  comes  into  existence,  and  atoms
are  formed."
 
This  vivid  picture  may  be  brought  up  to  date  by  the  sub-
stitution of  free  protons  and  electrons  for  the  hypothetical
protyle.  We  can  imagme  regions  containing  matter  where
the  temperature  is  so  high  that  not  only  is  the  dissociation  of=
 
atoms  from  atoms  and  nuclei  from  planetary  electrons  com-
plete but  also  protons  and  electrons  are  in  a  state  of  agitation=
 
so  violent  that  even  the  most  stable  nuclei  cannot  be  formed.
We  should  have  here  matter  of  the  simplest  form  we  can
imagine,  or  rather  of  no  form  at  all,  simply  a  more  or  less
neutral  electric  gas.  Such  a  condition  is  by  no  means  impos-
sible in  our  miiverse  and  may  actually  occur  during  one  of  those=
 
excessively  violent  catastrophes  occurring  in  far  distant  space
and  observed  by  us  as  new  stars.
 
By  some  such  cooling  process  as  that  suggested  by  Crookes
we  easily  imagine  the  free  charges  combining  to  form  the
nuclei  of  elements.  Whether  those  of  heavier  elements  are
formed  direct  by  the  charges  getting  into  particular  geometrical
relations  with  each  other,  or  whether  hehum  nuclei  are  formed
first  and  then  subsequently  coalesce  depends  on  which  theory
of  nuclear  structure  is  adopted.  In  any  case  vast  quantities  of=
 
energy  will  have  to  be  radiated  off  and  this  radiation  may  be
of  such  extremely  high  frequency  that  it  is  capable  of  dis-
 
 
ISOTOPES  AND  ATOMIC  NUMBERS  119
 
rupting  nuclei  themselves,  so  that  there  might  be  at  this  stage=
 
rapid  and  continuous  transformations  from  heavier  to  lighter
nuclei  and  vice  versa.
 
For  the  present  we  are  interested  in  the  number  of  each
type  of  atom  which  survives.  It  is  obvious  that  if  the  con-
ditions of  cooling  are  practically  identical  throughout  the  whole
mass  there  is  no  reason  why  the  composition  of  the  matter
produced  should  vary.  If  3  atoms  of  CP^  are  formed  to  every
1  of  CP^  at  any  one  point  the  same  ratio  must  hold  at  every
point  so  that  a  complex  element  of  constant  atomic  weight
will  be  formed.  But  it  is  much  more  likely  that  different  parts=
 
of  this  primordial  mass  will  undergo  their  transformations
under  different  rates  of  cooling,  etc.,  so  it  is  worth  while
inquiring  if  variation  in  the  mean  atomic  weight  of  a  complex
element  is  to  be  expected.
 
The  quantity  of  one  particular  atomic  nucleus  formed  will
probably  depend  (a)  on  the  probability  of  a  certain  configura-
tion of  charges  happening  as  a  chance  event ;  (b)  the  stability  o=
f
the  particular  nucleus  formed  as  the  result  of  that  event.
Again  to  take  the  case  of  chlorine  each  isotope  may  be  regarded=
 
as  completely  stable  and  the  relative  quantities  formed  will
simply  depend  on  condition  (a).  Now  it  is  not  unreasonable
to  suppose  that  this  is  not  seriously  affected  by  different  rates=
 
of  cooUng,  and  in  this  case  the  isotopes  will  be  evolved  in
constant  proportion.  As  we  know  of  no  natural  process  by
which  the  proportion  of  isotopes  can  be  altered  appreciably
the  complex  elements  will  have  to-day  the  same  chemical
atomic  weight  as  when  they  were  first  formed.
 
The  above  argument  is  of  course  purely  a  speculative  one,
and  the  conclusion  drawn  from  it  would  fall  to  the  ground  at
once  if  noteworthy  differences  of  atomic  weight  in  a  single
complex  element  were  found  supposing  that  element  was  not=
 
the  product  of  a  radioactive  change  at  different  points  o=
n  the
earth's  surface.  It  may  be  worth  noting  that  condition  (a)
suggests  that,  in  general,  the  lighter  atoms  will  outnumber
the  heavier  ones.  In  aU  matter  available  in  nature  this
preponderance  is  actually  enormous.
 
If  the  matter  forming  the  earth  ever  went  through  a  prim-
ordial stage  such  as  that  suggested  above  it  certainly  did  so
 
 
120  ISOTOPES
 
more  than  10^  years  ago.  It  follows  that  of  the  radioactive
elements  then  formed  only  two,  thorium  and  uranium,  wiU
now  be  found  on  the  earth,  for  the  other  radioactive  elements
existing  to-day  are  of  such  short  period  that  they  must  have
been  formed  since.  Hence  we  may  divide  the  original  elements
very  simply  and  definitely  into  two  groups  :  (1)  All  the
inactive  elements,  whose  nuclei  are  sufficiently  simple  to  be
stable ;  (2)  Thorium  and  Uranium,  whose  nuclei  are  so
complex  that  they  are  only  partially  stable.
 
Other  less  stable  elements  vfiay  have  been  formed  then  but
there  can  be  no  proof  of  this  for  they  would,  in  any  case,  hav=
e
disappeared  long  ago,  and  it  is  clear  that  the  other  radioactive=
 
elements  now  found  can  all  be  regarded  as  formed  from  the
two  parent  elements  in  comparatively  recent  times.
 
 
==CHAPTER  X - THE  SPECTRA  OF  ISOTOPES==
 
108.  The  Spectra  of  isotopes.  As  has  already  been
stated^  the  first  experimental  work  on  the  spectra  of  isotopes
was  that  of  Russell  and  Rossi  in  1912  who  failed  to  distinguish=
 
any  difference  between  the  spectrum  of  thorium  and  that  of  a
mixture  of  thorium  and  ionium  containing  a  considerable
percentage  of  the  latter.  The  same  negative  result  was
obtained  by  Exner  and  Haschek.^  During  the  fractional
diffusion  of  neon^  no  spectroscopic  difference  was  detected
between  the  heaviest  and  the  lightest  fraction,  though  as  the
separation  was  small  this  negative  evidence  was  not  very
strong.  In  1914  Soddy  and  Hyman  showed  that  the  spectrum
of  lead  derived  from  thorium  was  identical  with  that  of  ordinary=
 
lead.*  Furthermore  in  the  same  year  the  experiments  of
Richards  and  Lembert,^  Honigschmidt  and  HoroAvitz,*^  and
Merton '' proved  the  same  result.  Merton  concluded  from  his
1914  experiments  that  the  difference  in  wave-length  for  the
A  4058  line  must  be  less  than  0-003  A.  Before  going  on  to
consider  the  more  recent  results  it  will  be  as  well  to  discuss  =
the
magnitude  of  the  difference  to  be  expected  from  theory.
 
109.  The  magnitude  of  the  Gravitational  effect.  In
 
the  Bohr  theory  of  spectra  the  planetary  electrons  of  the  atom
rotate  round  the  central  positively  charged  nucleus  in  various
 
1  F.  p.  9.
 
2  Exiier  and  Haschek,  Sitz.  Akad.  Wiss.  Wien,  iia,  121,  175,    =
1912.
 
3  V.  p.  39.
 
*  Soddy  and  Hyman,  Jour.  Chem.  Soc,  105,  1402,    1914.
^  Richards  and  Lembert,  Jour.  Amer.  Chem.  Soc,  36,  1329,    1914.=
 
^  Honigschmidt  and  Horowitz,  Sitz.  Akad.    Wiss.    Wien,  iia,  =
123,
1914.
 
'  Merton,  Proc.  Roy.  Soc,  91A,  198,    1914.
 
121
 
 
122  ISOTOPES
 
stable  orbits.  The  frequencies  of  the  spectral  lines  emitted
by  the  element  are  associated  in  an  absolutely  definite  manner
with  the  rotational  frequencies  of  these  orbits  which  are
calculated  by  what  is  known  as  a  "  quantum "  relation.
Without  going  further  into  the  theory  it  will  be  seen  at  once
that  if  we  alter  the  force  acting  between  the  central  nucleus
and  its  planetary  electrons  these  orbits  will  change  and  with
them  the  frequency  of  the  light  emitted.  It  is  therefore  of
interest  to  examine  the  magnitude  of  the  change,  to  be  expected=
 
from  this  theory,  when  we  alter  the  mass  of  the  nucleus  without=
 
changing  its  charge,  and  so  pass  from  one  isotope  to  another.
 
The  difference  in  the  system  which  will  first  occur  to  one  is
that  although  the  electrical  force  remains  the  same  the  gravi-
tational force  must  be  altered.  The  order  of  magnitude  of
the  change  expected  in  the  total  force  will  clearly  be  given  by=
 
considering  the  ratio  between  the  electrical  and  gravitational
forces  acting,  to  take  the  simplest  case,  between  the  protou
and  the  electron  in  a  neutral  hydrogen  atom.
 
Assuming  the  law  of  force  to  be  the  same  in  both  cases,  this
ratio  is  simply  e^/GMm  ;  where  e  is  the  electronic  charge
4-77  X  10~i",  G  the  universal  gravitational  constant  6-6  x  10"^,=
 
M  the  mass  of  the  proton  1-66  x  lO"^*^  and  m  the  mass  of  the=
 
electron  9-0  x  10~  2^.  Putting  in  these  numerical  values  we
obtain  the  prodigious  ratio  2-3  x  10  ^9.  In  other  words  the
effect  of  doubling  the  mass  of  the  nucleus  without  altering  its=
 
charge  would  give  the  same  percentage  increase  in  the  total
pull  on  the  planetary  electron,  as  would  be  produced  in  the
pull  between  the  earth  and  the  moon  by  a  quantity  of  meteoric
dust  weighing  less  than  one  million  millionth  of  a  gramme
falling  upon  the  surface  of  the  former  body.  The  gravitational
effect  may  therefore  be  dismissed  as  entirely  negligible.
 
110.  Deviation  of  the  Bohr  orbits  due  to  change  in
the  position  of  the  centre  of  gravity  of  the  rotating
system.  Although  we  may  neglect  the  gravitational  effect
there  is  another,  of  quite  a  different  order,  which  arises  in  th=
e
following  manner.  The  mass  of  the  electron  compared  with
that  of  the  nucleus  is  small  but  not  absolutely  negligible,  hence=
 
it  will  not  rotate  about  the  nucleus  as  though  that  were  a
 
 
THE  SPECTRA  OF  ISOTOPES  123
 
fixed  point,  but  both  will  rotate  about  their  common  centre
of  gravity.  The  position  of  this  centre  of  gravity  will  be
shifted  by  any  alteration  in  the  mass  of  the  nucleus.  If  E,  M=
 
and  e,  m  are  the  respective  charge  and  mass  of  the  nucleus  and=
 
the  rotating  electron,  the  equation  of  motion  is
 
rM        ,      Ee
 
M  +  m  r^
 
where  r  is  the  distance  between  the  two  charges  and  w  the
angular  velocity.  Bohr  ^  introduced  this  effect  of  the  mass  of
the  nucleus  in  order  to  account  for  the  results  obtained  by
Fowler.  2    The  Bohr  expression  for  the  frequency  then  becomes
 
where  e,  E  and  m,  M  are  the  charges  and  masses  of  the  electron=
 
and  nucleus  respectively.  If  we  suppose  that  the  atomic
weight  of  lead  from  radium  to  be  one  unit  less  than  that  of
ordinary  lead,  this  theory  predicts  a  difference  in  wave-length,
for  the  principle  line,  of  000005  A  between  the  two,  a  quantity=
 
beyond  the  reach  of  the  most  delicate  methods  of  spectrum
analysis  used  up  to  the  present.
 
111.  Later  experiments  of  Aronberg  and  Merton.
 
In  1917  Aronberg,^  applying  the  extremely  high  dispersion
derived  from  the  spectrum  of  the  sixth  order  of  a  Michelson
10-inch  grating  to  the  line  A  4058  emitted  from  a  specimen  of
radio-lead  of  atomic  weight  206-318,  observed  a  difiference  of
0-0044  A  between  this  and  ordinary  lead,  of  atomic  weight
207-20.  This  remarkable  result  has  been  since  confirmed  by
Merton  of  Oxford*  who  gives  the  difference  of  wave-length
between  radio-lead  from  pitchblende  and  ordinary  lead  as
0-0050^2 0-0007,  Merton  made  use  of  a  totally  different  optical
system,  namely  a  Fabry  and  Perot  etalon,  so  that  the  agreement
is  very  striking.
 
It  is  to  be  noticed  that  the  effect  observed  was  not  a  mere
 
1  Bohr,  Nature,  92,  231,    1913.
 
2  Fowler,  Nature,  92,  95,    1913.
 
3  Aronberg,  Proc.  Nat.  Acad.  Sci.,  Z,  710,    1917,  and  Ast=
rophys,
Jour.,  47,  96,    1918.
 
4  Merton,  Proc.  Boy.  Soc,  96A,  388,      920.
 
 
124
 
 
ISOTOPES
 
 
broadening  of  the  line  but  a  definite  shift,  and  that,  though
of  the  same  sign,  it  is  about  one  hundred  times  greater  than
that  predicted  by  the  Bohr  theory,  Merton  also  found  a  shift
of  0-0022 =C2=B10-0008  A  between  the  wave-length  of  thorite-lead
and  ordinary  lead,  differing  in  atomic  weight  by  about  0-6.
The  heavier  atom  shows  the  higher  frequency  in  all  cases.
This  remarkable  discrepancy  between  the  shift  predicted  by
theory  and  that  actually  observed  has  been  discussed  by
Harkins  and  Aronberg.^
 
At  a  recent  discussion  on  isotopes  at  the  Royal  Society  ^
Merton  commented  upon  the  line  6708  A  emitted  by  the
element  lithium,  which  consists  of  two  components  0-151  A
apart.  If  lithium  is  accepted  as  a  mixture  of  isotopes  6  and  7,=
^
he  calculated  that  each  of  these  components  should  be  accom-
panied by  a  satellite,  some  sixteen  times  as  faint,  displaced  by=
 
0-087  A.  So  far  he  had  not  been  able  to  observe  such  satellites=
.
Previous  experiments  of  Merton  and  Lindemann*  on  the
expected  doubling  in  the  case  of  neon  had  given  no  conclusive
results  on  account  of  the  physical  width  of  the  lines.  It  was
hoped  that  this  difficulty  could  be  overcome  by  the  use  of
liquid  hydrogen  temperatures.
 
StiU  more  recently  Merton^  has  repeated  his  experiments  on
lead,  using  a  very  pure  sample  of  uranium  lead  from  Australian
Carnotite.  His  final  results  are  indicated  in  the  following
table  :
 
 
A
 
(Carnotite  lead)"!
.  ^(ordinary  lead)  J
 
r    Wave  niimber  (ordinary  lead) '
.  Wave-number  (Carnotite  lead).
 
4058
3740
3684
3640
3573
 
0-011  =C2=B10-0008
0-0074=C2=B10-0011
0-0048=C2=B10-0007
0-0070=C2=B10-0003
0-0048=C2=B10-0005
 
0-065=C2=B10-005
0-053=C2=B10-008
0-035=C2=B10-005
0-C52=C2=B10-002
0-037=C2=B10-004
 
1  Harkiiis  and  Aronberg,  Jour.  Am.  Chem.  Soc,  42,  1328,
 
Merton,  Proc.  Roy.  Soc.=C2=BB  99A,  87,    1921.
 
=C2=BB  V.  p.  86.
 
*  Lindemann,  ibid.
 
  Merton,  Roy.  Soc.  Proc,  lOOA,  84,    1921.
 
 
1920.
 
 
THE  SPECTRA  OF  ISOTOPES  125
 
It  will  be  noticed  that  the  shift  for  the  line  A  4058  is  rathe=
r
more  than  twice  that  obtained  before.  Merton  suggests  that
the  most  probable  explanation  of  this  difference  is  evidently
that  the  Carnotite  lead  used  is  a  purer  sample  of  uranium  lead=
 
than  that  obtained  from  the  pitchblende  residues.  It  is  also
apparent  that  the  differences  are  not  the  same  for  different
lines,  an  interesting  and  somewhat  surprising  result.
 
112.  "Isotope"  effect  on  the  Infra-red  spectrum  of
molecules.  The  extreme  smaUness  of  the  isotope  "  shift  "=
 
described  above  in  the  case  of  line  spectra  emitted  by  atoms  is=
 
due  to  the  fact  that  one  of  the  particles  concerned  in  the
vibration  is  the  electron  itself,  whose  mass  is  minute  compared
with  that  of  the  nucleus.  Very  much  larger  effects  should  be
expected  for  any  vibration  in  which  two  atoms  or  nuclei  are
concerned,  instead  of  one  atom  and  an  electron.  Such  a
vibration  would  be  in  the  infra-red  region  of  the  spectrum.
 
This  effect  was  first  observed  by  Imes^  when  mapping  the
fine  structure  of  the  infra-red  absorption  bands  of  the  halogen
acids.  In  the  case  of  the  HCl  "  Harmonic  "  band  at  1-76^,
mapped  with  a  20,000  line  grating,  the  maxima  were  noticed
to  be  attended  by  satellites.  Imes  remarks  :  "  The  apparent
tendency  of  some  of  the  maxima  to  resolve  into  doublets  in  the=
 
case  of  the  HCl  harmonic  may  be  due  to  errors  of  observation,
but  it  seems  significant  that  the  small  secondary  maxima  are
all  on  the  long-wave  side  of  the  principal  maxima  they  accom-
pany. It  is,  of  course,  possible  that  still  higher  dispersion
applied  to  the  problem  may  show  even  the  present  curves  to
be  composite."
 
Loomis^  pointed  out  that  these  satellites  could  be  attributed
to  the  recently  discovered  isotopes  of  chlorine.  In  a  later
paper ^  he  has  shown  that,  if  mi  is  the  mass  of  the  hydrogen
nucleus,  and  ma  the  mass  of  the  charged  halogen  atom,  the
 
difference  should  be  expressed  by  the  quanity  ^  =
~  the
 
square  root  of  which  occurs  in  the  denominator  of  the  expression=
 
 
^  Imes,  Astrophysical  Journal,  50,  251,    1919.
 
2  Loomis,  Nature,  Oct.  7,  179,    1920.
 
^  Loomis,  Astrophysical  Journal,  52,  248,    1920.
 
 
126  ISOTOPES
 
for  frequency.  "  Consequently  the  net  difference  between
the  spectra  of  isotopes  will  be  that  the  wave-lengths  of  lines
in  the  spectrum  of  the  heavier  isotope  will  be  longer  than  the=
 
corresponding  lines  for  the  lighter  isotope  in  the  ratio
1  +  1/1330  :  1  for  chlorine  and  1  -f  1/6478  :  1  for  bromine.=
 
Since  the  average  atomic  weight  of  chlorine  is  35-46  the  amounts=
 
of  CP^  and  CP'  present  in  ordinary  chlorine  must  be  as
1-54  :  0-46  or  as  3-35  :  1  and,  if  the  lines  were  absolutely  =
sharp
and  perfectly  resolved,  the  absorption  spectrum  of  ordinary
HCl  should  consist  of  pairs  of  lines  separated  by  1/1330  of
their  frequency  and  the  one  of  shorter  wave-length  should  have
about  3-35  the  intensity  of  the  other.  The  average  atomic
weight  of  bromine  is  79-92,  hence  the  two  isotopes  are  present
in  nearly  equal  proportions  and  the  absorption  spectrum  of
HBr  should  consist  of  lines  of  nearly  equal  intensity  separated
by  1/6478  of  their  frequency."
 
The  latter  will  be  too  close  to  be  observed  with  the  dispersion=
 
employed.  In  the  case  of  the  HCl  band  at  IIQ  ju  the  difference=
 
of  wave  number  on  this  view  should  be  4-3.  The  mean  differ-
ence of  wave  number  given  by  Loomis'  measurements  of  13
lines  on  Imes'  original  curves  for  this  band  is  4-5  ^  0-4  corre=
-
sponding to  14  A  in  wave-length.
 
The  spectroscopic  confirmation  of  the  isotopes  of  chlorine
has  also  been  discussed  by  Kratzer,!  who  considers  that  the
oscillation-rotation  bands  of  hydrogen  chloride  due  to  Imes^
are  in  complete  accordance  with  the  theory.
 
1  H.  Ivratzer,  Zeit.  Physik.,  3,  60,    1920.
*  Loc.  cit.
 
 
==CHAPTER  XI - THE  SEPARATION  OF  ISOTOPES==
 
===113.  The  Separation  of  Isotopes=== 
The  importance,
from  purely  practical  and  technical  points  of  view,  of  the
theory  of  isotopes  would  have  been  insignificant  had  its
application  been  confined  to  the  radioactive  elements  and  their
products,  which  are  only  present  in  infinitesimal  quantities
on  the  Earth.  But  now  that  the  isotopic  nature  of  many
elements  in  everyday  use  has  been  demonstrated,  the  possi-
bility of  their  separation,  to  any  reasonable  extent,  raises
questions  of  the  most  profound  importance  to  applied  science.
In  physics  all  constants  involving,  e.g.,  the  density  of  mercury=
 
or  the  atomic  weight  of  silver  may  have  to  be  redefined,  while=
 
in  chemistry  the  most  wholesale  reconstruction  may  be
necessary  for  that  part  of  the  science  the  numerical  founda-
tions of  which  have  hitherto  rested  securely  upon  the  constancy
of  atomic  weights.
 
It  is  therefore  of  great  interest  to  consider  in  turn  the
various  methods  of  separation  proposed  and  examine  how
far  they  have  been  successful  in  practice.
 
===114.  Separation  by  Diffusion===
he  subject  of  the
separation  of  a  mixture  of  two  gases  by  the  method  of  Atmolysis  or  has  been  thoroughly  investigated  by  the  late
Lord  Rayleigh.  The  diffusion  is  supposed  to  take  place
through  porous  material.  The  conditions  under  which
maximum  separation  is  to  be  obtained  are  that  " mixing "
is  perfect,  so  that  there  can  be  no  accumulation  of  the  less
diffusible  gas  at  the  surface  of  the  porous  material,  and  that
the  apertures  in  the  material  through  which  the  gases  must
 
iRayleigh,  Phil.  Mag.,  42,  493,    1896.
127
 
 
128  ISOTOPES
 
pass  are  very  small  compared  with  the  mean  free  path  of  the
molecules.  If  these  conditions  are  satisfied  he  obtains  as  an
expression  for  the  effect  of  a  single  operation  :
 
 
X  +  y    _    ^  .    _^      Y
 
 
r  '^
 
 
X  +  Y      X  +  Y  "-'^      X  +  Y    "-'-
 
where  (X  Y)  {x,  y)  are  the  initial  and  final  volumes  of  the
gases,  /I,  V,  the  velocities  of  diffusion,  and  r  the  enrichment=
 
of  the  residue  as  regards  the  second  constituent.
 
The  velocity  of  diffusion  of  a  gas  is  proportional  to  the
square  root  of  the  mass  of  its  molecules,  so  that  if  a  mixture=
 
of  two  isotopes  is  allowed  to  diffuse  a  change  in  composition
must  be  brought  about.  Now  no  known  isotopes  differ  from
each  other  much  in  mass,  so  the  difference  between  their
rates  of  diffusion  will  also  be  small,  hence  the  above  equation=
 
may  be  written  in  the  approximate  form
 
^-  =3D  rTc    where    h  =3D ^    a    small    quantity    and,
 
and,  finally,  the  enrichment  by  diffusion  of  the  residue  as
regards  the  heavier  constituent  may  be  expressed  with  sufficient
accm'acy  by  the  expression
 
 
mi-m  /Initial  volume
 
 
Final  volume
 
 
where  Wi,  mg  are  the  molecular  masses  of  the  lighter  and
heavier  isotope  respectively.  In  the  most  favourable  case
known  at  present,  that  of  the  isotopes  of  neon,  the  number
over  the  root  is  21  so  that  the  change  in  composition  obtain-
able in  a  single  operation  will  in  practice  be  very  small.
 
If  we  take  the  density  of  the  original  mixture  as  unity,  the
increase  in  density  of  the  residual  gas  to  be  expected  from  the=
 
operation  of  diffusion  will  be  approximately
 
(r    1)  X  ^  X  2      ^
 
 
X  Wg  +  Wi
 
Now  neon  consists  of  monatomic  molecules  differing  between
each  other  in  mass  by  10  per  cent,  and  the  heavier  is  present=
 
to  the  extent  of  10  per  cent.  In  the  diffusion  experiments
described  on  p.  39  the  effective  ratio  of  the  initial  volume  to=
 
 
 
THE  SEPARATION  OF  ISOTOPES  129
 
the  final  volume  was  estimated  as  certainly  greater  than  500
and  probably  less  than  10,000,  so  that  r  lies  between  1-3
and  1-5.  Hence  the  increase  of  density  of  the  heavier  residue
should  have  been  between  -003  and  -005.  It  was  actually
004.
 
===115.  The  separation  of  the  isotopes  of  chlorine  by  the diffusion  of  HCl=== 
In  the  case  of  other  isotopic  gaseous
mixtures  the  numerical  obstacles  in  the  way  of  practical
separation  wiU  be  correspondingly  greater.  Thus  in  the  case
of  HCl  the  36th  root  is  involved,  and  in  that  of  HBr  the  80th
root.  The  only  way  by  which  measurable  increase  in  density
may  be  hoped  for  wiU  clearly  be  by  increasing  the  effective
ratio  of  the  initial  to  final  volumes  to  an  heroic  degree.  This
can  be  done  by  experiments  on  a  huge  scale  or  by  a  vast
number  of  mechanical  repetitions.
 
Harkins  started  to  attack  the  HCl  problem  in  1916 using
the  first  of  these  two  alternatives.  In  1920  he  mentions
a
quantity  of  19,000  litres  of  HCl  as  having  been  dealt  with  in
these  experiments. 2  In  the  following  year^  he  published
numerical  results  indicating  that  a  change  in  atomic  weight
of  0-055  of  a  unit  had  been  achieved.
 
At  the  recent  discussion  on  isotopes  *  Sir  J.  J.  Thomson
pointed  out  that  a  change  in  the  molecular  weight  of  HCl
should  be  caused  by  allowing  a  stream  of  the  gas  to  flow  over=
 
the  surface  of  a  material  which  absorbed  it.  The  higher
diffusion  coefficient  of  the  lighter  isotope  would  result  in  it
being  absorbed  more  rapidly  than  the  heavier  one,  so  that  the
residue  of  unabsorbed  gas  should  give  a  higher  molecular
weight.  This  "  free  diffusion  "  without  the  interposition  of
porous  material  has  been  recently  tried  in  the  Cavendish
Laboratory  by  E.  B.  Ludlam,  but  no  measurable  difference
has  so  far  been  detected.
 
===116.  Separation  by  Thermal  Diffusion=== 
It  has  been
 
^  Harkins,  Jour.  Amer.  Cheni.  Soc,  Feb.,    1916.
 
2  Harkins,  Science,  Mar.  19,  1920 ;  Nature,  Apl.  22,  1920 ;  see=
 
also  Phys.  Rev.,  15,  74,  1920  ;  Science,  51,  289,  1920 ;  Jour.  =
Amer,
Chem.  Soc,  42,  1328,    1920.
 
3  Harkins,  Science,  Oct.  14,    1921  ;    Nature,  Oct.  3,    1921.=
 
*  J.  J.  Thomson,  Proc.  Roy.  Soc,  99A,  98,    1921.
 
K
 
shown  on  theoretical  grounds  independently  by  Enskog  ^
and  Chapman  ^  that  if  a  mixture  of  two  gases  of  different
molecular  weights  is  allowed  to  diffuse  freely,  in  a  vessel  of
which  the  ends  are  maintained  at  two  different  temperatures
T,T',  until  equilibrium  conditions  are  reached,  there  will  be
a  slight  excess  of  the  heavier  gas  at  the  cold  end,  and  of  the=
 
lighter  gas  at  the  hot  end.  The  separation  attained  depends
on  the  law  of  force  between  the  molecules  and  is  a  maximum
if  they  behave  as  elastic  spheres.  The  effect  was  experi-
mentally verified  for  a  mixture  of  CO2  and  Ha  by  Chapman
and  Dootson,^  and  recently  Ibbs  *  has  demonstrated  that  the
separation  can  be  carried  out  continuously  and  that  the  time
for  equilibrium  to  be  established  is  quite  short.
 
Chapman  has  suggested  ^  that  thermal  diffusion  might  be
used  to  separate  isotopes.  He  shows  that  the  separating
power  depends  on  a  constant  ^x.  And  when  the  difference
between  the  molecular  masses  mi,  ma  is  smaU  the  value  of
this  is  approximately  given  by
 
,    _  17  ma    mi  AiAj
 
^^  ~~  3    ma  +  mi  9-15  8-25  AiAa
where  ^1,^2  denote  the  proportions  by  volume  of  each  gas  in
the  mixture  ;    thus  Ai  -f  Aa  =3D=3D1.      The  actual  separation =
is
given  by
 
Ai  A'l  =3D  (Ai  A'a)  =3DA;t  log  T'/T.=
 
 
He  gives  the  following  numerical  example  :  "  Suppose  that  it  is=
 
desired  to  separate  a  mixture  of  equal  parts  of  Ne^"  and  Ne^^,=
 
then,  writing  mi  =3D  20,  ma  =3D  22,  Ai  =3D  A3  =3D  ^,  we  find =
that
Ic,^  =3D  0-0095.  Suppose  that  the  mixture  is  placed  in  a  vessel=
 
consisting  of  two  bulbs  joined  by  a  tube,  and  one  bulb  is
maintained  at  80=C2=B0  absolute  by  liquid  air,  while  the  other  is=
 
heated  to  800=C2=B0  absolute  (or  527=C2=B0  C).  When  the  steady  st=
ate
has  been  attained  the  difference  of  relative  concentration
between  the  two  bulbs  is  given  by  the  equation
 
1  Enskog,  Phys.  Zeit.,  12,  538,    1911  ;  Ann.  d.  Phys.,  38,  75=
0,      1912.
 
2  Chapman,  Phil.  Trans.,  217A,  115,  1916;  Phil.  Mag.,  34,  146,
1917.
 
3  Chapman  and  Dootson,  Phil.  Mag.,  34,  248,    1917.
*  Ibbs,  Proc.  Boy.  Soc,  99A,  385,    1921.
 
^Chapman,  Phil  Mag.,  38,  182,    1919.
 
 
THE  SEPARATION  OF  ISOTOPES  131
 
Ai    A'l  =3D    (A 2    A' 2)  =3D  0-0095  lo=
g,  800/80
 
=3D  0-022
 
or  2-2  per  cent.  Thus  the  cold  bulb  would  contain  48-9  per
cent.  Ne^"  to  51-1  per  cent.  Ne^^,  and  vice  versa  in  the  hot
bulb.  By  drawing  o=C2=A3f  the  contents  of  each  bulb  separately,
and  by  repeating  the  process  with  each  portion  of  the  gas,  the=
 
difference  of  relative  concentrations  can  be  much  increased.
But  as  the  proportions  of  the  two  gases  become  more  unequal,
the  separation  effected  at  each  operation  slowly  decreases.
For  instance,  when  the  proportions  are  as  3  :  1,  the  variation=
 
at  each  operation  falls  to  1-8  per  cent.  ;  while  if  they  are  a=
s
10  :  1  the  value  is  1-2  per  cent.  This  assumes  that  the  mole-=
 
cules behave  like  elastic  spheres  :  if  they  behave  like  point
centres  of  force  varying  as  the  inverse  nth.  power  of  the  distan=
ce,
the  separation  is  rather  less;  e.g.,  ii  n=3D9,  it  is  just  over=
 
half  the  above  quantities."
 
Chapman  points  out  that  for  equal  values  of  log  p/p  and
log  T/T  pressure  diffusion  (centrifuging)  is  about  three  times
as  powerful  as  thermal  diffusion  but  suggests  that  it  may  be
more  convenient  to  maintain  large  differences  of  temperature
than  of  pressure.
 
===117.  Separation  by  Gravitation  or  "Pressure  Diffusion"===
When  a  heterogeneous  fluid  is  subjected  to  a
gravitational  field  its  heavier  particles  tend  to  concentrate
in  the  direction  of  the  field,  and  if  there  is  no  mixing  to  co=
unter-
act this  a  certain  amount  of  separation  must  take  place.  If
therefore  we  have  a  mixture  of  isotopes  in  a  gaseous  or  liquid=
 
state  partial  separation  should  be  possible  by  gravity  or
centrifuging.
 
The  simplest  case  to  consider  is  that  of  the  isotopes  of  neon
in  the  atmosphere  and,  before  the  matter  had  been  settled  by
the  mass-spectrograph,  analysis  of  the  neon  in  the  air  at  very
great  heights  was  suggested  as  a  possible  means  of  proving
its  isotopic  constitution.  1    The  reasoning  is  as  follows: =E2=80=
=94
 
If  M  be  the  atomic  weight,  g  the  gravitational  constant,
p  the  pressure,  and  p  the  density,  then  if  no  mixing  takes
place  dp  =3D  gpdh,  h  being  the  height.    In  the  isother=
mal
 
1  Lindemann  and  Aston,  Phil.  Mag.,  37,  530,    1919.
 
 
132  ISOTOPES
 
layer  convection  is  small.  If  it  is  small  compared  with
diffusion  the  gases  will  separate  to  a  certain  extent.  Since
T  is  constant
 
RTp        ,  dp      Mp ,,
 
whence  p  =3D  pffi  Rt    ,
 
Po  being  the  density  at  the  height  Jiq  at  'which  mixing  by
convection  ceases,  about  10  kilometres,  and  A^  the  height
above  this  level.  If  two  isotopes  are  present  in  the  ratio  1
to  Ko,  so  that  the  density  of  one  is  po  and  of  the  other  Kopo=
 
at  height  Jiq,  then  their  relative  density  at  height  h^  +  /SJi  =
is
given  by
 
Putting  T  =3D  220  as  is  approximately  true  in  England,
 
XT
 
A^  being  measured  in  kilometres.    If  Mi    Ma  =3D  2,  th=
erefore
 
It  might  be  possible  to  design  a  balloon  which  would  rise  to
100,000  feet  and  there  fill  itself  with  air.  In  this  case  the
relative  quantity  of  the  heavier  constituent  would  be  reduced
from  10  per  cent,  to  about  8-15,  so  that  the  atomic  weight  of=
 
neon  from  this  height  should  be  20-163  instead  of  20-2.  If
one  could  get  air  from  200,000  feet,  e.g.  by  means  of  a  long-=
 
range  gun  firing  vertically  upwards,  the  atomic  weight  of  the
neon  should  be  20-12.
 
A  more  practicable  method  is  to  make  use  of  the  enormous
gravitational  fields  produced  by  a  high  speed  centrifuge.
 
In  this  case  the  same  equation  holds  as  above  except  that
g  varies  from  the  centre  to  the  edge.    In  a  gas  therefore
&lt;ip__Mv2    dr  _  _Mo)'^
~^  ~      Rf  "y  ~      RT      '
 
whence  p  =3D  poe  2rt,
 
Vq  being  the  peripheral  velocity.      Here  again,  if  Kq  is  the
 
 
THE  SEPARATION  OF  ISOTOPES  133
 
ratio  of  the  quantities  present  at  the  centre,  the  ratio  at  the=
 
edge  will  be
 
A  peripheral  velocity  of  10^  cm,/s.  or  perhaps  even  1-3  x  10^
cm./s.  might  probably  be  attained  in  a  specially  designed
 
rr
 
centrifuge,  so  that:^^  might  be  made  as  great  as  e"=C2=B0'2^^'^'~^=
*^  or
 
even  e  ~0'^'^^'^&gt;~^2),
 
If  Ml    M2  is  taken  as  2  a  single  operation  would  there=
fore
give  fractions  with  a  change  of  K  of  0-65.  In  the  case  of  neon=
 
the  apparent  atomic  weight  of  gas  from  the  edge  would  be
about  0-65  per  cent,  greater  than  that  of  gas  from  the  centre,=
 
i.e.  a  separation  as  great  as  the  best  yet  achieved  in  practice=
 
by  any  method  could  be  achieved  in  one  operation.  By
centrifuging  several  times  or  by  operating  at  a  lower  tempera-
ture the  enrichment  might  be  increased  exponentially.
 
Centrifuging  a  liquid,  e.g.  liquid  lead,  would  not  appear  so
favourable,  though  it  is  difficult  to  form  an  accurate  idea  of
the  quantities  without  a  knowledge  of  the  equation  of  state.
If  compression  is  neglected  and  the  one  lead  treated  as  a
solution  in  the  other,  a  similar  formula  to  that  given  above
holds.  On  assumptions  similar  to  these  Poole ^  has  calculated
that  a  centrifuge  working  with  a  peripheral  velocity  of  about
10^  cm. /sec  should  separate  the  isotopes  of  mercury  to  an
extent  corresponding  to  a  change  of  density  of  0-000015.
 
The  only  experiments  on  the  separation  of  isotopes  by  the
use  of  a  centrifuge,  so  far  described,  are  those  of  Joly  and
Poole  2  who  attempted  to  separate  the  hypothetical  isotopic
constituents  of  ordinary  lead  by  this  means.  No  positive
results  were  obtained  and  the  check  experiments  made  with
definite  alloys  of  lighter  metals  with  lead  were  by  no  means
encouraging.
 
118.  Separation  by  Chemical  Action  or  Ordinary
Fractional  Distillation.  The  possibility  of  separating  iso-=
 
topes by  means  of  the  difference  between  their  chemical
affinities  or  vapour  pressures  has  been  investigated  very  fully
 
1  Poole,  Phil.  Mag.,  41,  818,    1921.
 
2  Joly  and  Poole,  Phil.  Mag.,  39,  372,    1920.
 
 
134  ISOTOPES
 
from  the  theoretical  standpoint  by  Lindemann.  The  thermo-
dynamical  considerations  involved  are  the  same  in  both  cases.
The  reader  is  referred  to  the  original  papers  ^  for  the  details=
 
of  the  reasoning  by  which  the  following  conclusion  is  reached  : =
 
"  Isotopes  must  in  principle  be  separable  both  by  fractiona-
tion and  by  chemical  means.  The  amount  of  separation  to
be  expected  depends  upon  the  way  the  chemical  constant  is
calculated  and  upon  whether  '  NuUpunktsenergie  '  is  assumed.
At  temperatures  large  compared  with  ^v,^  which  are  the  only
practicable  temperatures  as  far  as  lead  is  concerned,  the
difference  of  the  vapour  pressure  and  the  constant  of  the
 
Bv
law  of  mass  action  may  be  expanded  in  powers  of  ^.    The
 
Bv
most  important  term  of  the  type  log  "^  is  cancelled  by  the
 
chemical  constant  if  this  is  calculated  by  what  seems  the  only
 
Bv
reasonable  way.    The  next  term  in    is  cancelled  by  the=
 
 
'  NuUpunktsenergie '  if  this  exists.    All    that    remains    ar=
e
 
Bv
terms  containing  the  higher  powers  of  ^.  In  practice  there-
fore fractionation  does  not  appear  to  hold  out  prospects  of
success  unless  one  of  the  above  assumptions  is  wrong.  If  the
first  is  wrong  a  difference  of  as  much  as  3  per  cent,  should
occur  at  1200  and  a  difference  of  electromotive  force  of  one
miUivolt  might  be  expected.  Negative  results  would  seem
to  indicate  that  both  assumptions  are  right."
 
As  regards  experimental  evidence  it  has  already  been  pointed
out  that  the  most  careful  chemical  analysis,  assisted  by  radio-
active methods  of  extraordinary  delicacy,  was  unable  to  achieve
the  shghtest  separation  of  the  radioactive  isotopes.  The
laborious  efforts  to  separate  the  isotopes  of  neon  by  a  differ-=
 
ence of  vapour  pressure  over  charcoal  cooled  in  hquid  air  also
gave  a  completely  negative  result.
 
===119.  Separation  by  evaporation  at  very  low  pressure===
 
If  a  liquid  consisting  of  isotopes  of  different  mass  is allowed
 
1  Lindemann,  Phil.  Mag.,  37,  523,    1919  ;  38,  173,    1919.
 
*  (iv  is  the  "  characteristic  "  and  T  the  "  Absolute  "  tempera=
ture.
 
 
THE  SEPARATION  OF    ISOTOPES  135
 
to  evaporate  it  can  be  shown  that  the  number  of  Hght  atoms
escaping  from  the  sm'face  in  a  given  time  will  be  greater  than=
 
the  number  of  heavier  atoms  in  inverse  proportion  to  the
square  roots  of  their  weights.  If  the  pressure  above  the
surface  is  kept  so  low  that  none  of  these  atoms  return  the
concentration  of  the  heavier  atoms  in  the  residue  will  steadily
increase.  This  method  has  been  used  for  the  separation  of
isotopes  by  Bronsted  and  Hevesy,  who  appUed  it  first  to  the
element  mercury.
 
The  mercury  was  allowed  to  evaporate  at  temperatures  from
40=C2=B0  to  60=C2=B0  C.  in  the  highest  vacuum  attainable.  The  eva=
porat-
ing and  condensing  surfaces  were  only  1  to  2  cms.  apart,  the
latter  was  cooled  in  liquid  air  so  that  all  atoms  escaping
reached  it  without  coUision  and  there  condensed  in  the  sohd
form.
 
It  will  be  seen  that  the  Uquid  surface  acts  exactly  Uke  the
porous  diaphragm  in  the  diffusion  of  gases.  ^  The  diffusion
rate  of  mercury  can  be  obtained  approximately  from  the
diffusion  rate  of  lead  in  mercury  ^  and  is  such  that  the  mean=
 
displacement  of  the  mercury  molecule  in  Uquid  mercury  is
about  5  X  10"^  cm.  sec."^.  It  follows  that  if  not  more  than
5  X  10"^  c.cm.  per  cm.^  surface  evaporate  during  one  second
no  disturbing  accumulation  of  the  heavier  isotope  in  the
surface  layer  takes  place.
 
The  separation  was  measured  by  density  determination.
Mercury  is  particularly  well  suited  for  this  and  a  notable
feature  of  this  work  was  the  amazing  deUcacy  with  which  it
could  be  performed.  With  a  5  c.cm.  pyknometer  an  accuracy
of  one  part  in  two  millions  is  claimed.  The  first  figures
pubhshed  ^  were  :
 
Condensed  mercury.  .  .  .    0-999981
 
Residual  mercury    ....      1-000031
 
The  densities  being  referred  to  ordinary  mercury  as  unity.
 
The  later  work  was  on  a  larger  scale.*  2700  c.cm.  of  mercm-y
were    employed    and    fractionated    systematically    to    about
 
1  V.  p.  127.
 
*  Groh  and  Hevesy,  Ann.  der  Phys.,  63,  92,    1920.
^  Bronsted  and  Hevesy,  Nature,  Sept.  30,      1920.
 
*  Bronsted  and  Hevesy,  Phil.  Mag.,  43,  31,    1922.
 
 
136  ISOTOPES
 
1/100,000  of  its  original  volume  in  each  direction.    The  final=
 
figures  were  :
 
Lightest  fraction  vol.  0-2  c.c.    .  .    0-99974
 
Heaviest  fraction  vol.  0-3  c.c.    .  .      1-00023
 
Mercury  behaves  as  though  it  was  a  mixture  of  equal  parts
of  two  isotopes  with  atomic  weights  202-0,  199-2  in  equal
parts  or  of  isotopes  201-3,  199-8  when  the  former  is  four  times=
 
as  strong  as  the  latter,  and  so  on.
 
===120.  Separation  of  the  isotopes  of  chlorine  by  free evaporation=== 
The  same  two  investigators  were  able  to
announce  the  first  separation  of  the  isotopes  of  chlorine  ^
by  applying  the  above  method  to  a  solution  of  HCl  in  water.
This  was  allowed  to  evaporate  at  a  temperature  of    50=C2=
=B0  C.
and  condense  on  a  surface  cooled  in  hquid  air.  Starting  with
1  litre  8-6  mol.  solution  of  HCl  100  c.c.  each  of  the  lightest=
 
and  heaviest  fraction  were  obtained.
 
The  degree  of  separation  achieved  was  tested  by  two  difiEerent
methods.  In  the  first  the  density  of  a  saturated  solution  of
NaCl  made  from  the  distillate  and  the  residue  respectively
was  determined  with  the  following  results  :
 
Density  (salt  from  distillate)  =3D  1-20222
Density  (salt  from  residue)      =3D  1-20235
 
These  figures  correspond  to  a  change  in  atomic  weight  of  0-024
of  a  unit.
 
In  the  second  method  exactly  equal  weights  of  the  isotopic
NaCls  were  taken  and  each  precipitated  with  accurately  the
same  volume  of  AgNOg  solution,  in  shght  excess.  After  pre-
cipitation and  dilution  to  2,000  c.c.  the  approximate  concen-
tration of  the  filtrate  was  determined  by  titration,  also  the
ratio  of  Ag  concentration  of  the  two  solutions  was  measured
in  a  concentration  cell.  Calculation  showed  that  the  difference
in  atomic  weight  of  the  two  samples  was  0-021  in  good  agree-
ment with  the  density  result.
 
===121.  Separation  by  Positive  Rays===
The  only  method
which  seems  to  offer  any  hope  of  separating  isotopes  completely,
and  so  obtaining  pure  specimens  of  the  constituents  of  a  com-
 
1  Bronsted  and  Hevesy,  Nature,  July  14,    1921.
 
 
THE  SEPARATION  OF  ISOTOPES  137
 
plex  element,  is  by  analysing  a  beam  of  positive  rays  and
trapping  the  particles  so  sorted  out  in  different  vessels.  It  is=
 
therefore  worth  while  inquiring  into  the  quantities  obtainable
by  this  means.
 
Taking  the  case  of  neon  and  using  the  parabola  method  of
analysis  with  long  parabolic  slits  as  collecting  vessels  we  find=
 
that  the  maximum  separation  of  the  parabolas  corresponding
to  masses  20  and  22  (obtained  when  electric  deflexion  d  is
haK  the  magnetic)  is  approximately
 
^  1    M,-M,    _  d_
V2        Ml  28"
 
Taking  a  reasonable  value  of  0  as  -3  the  maximum  angular
width  of  the  beam  for  complete  separation  =3D  0-01.  If  the
canal-ray  tube  is  made  in  the  form  of  a  slit  at  45=C2=B0  to  ax=
es,
i.e.  parallel  to  the  curves,  the  maximum  angular  length  of
the  beam  might  be  say  5  times  as  great,  which  would  collect
the  positive  rays  contained  in  a  solid  angle  of  -0005  sq.  radian=
.
 
The  concentration  of  the  discharge  at  the  axis  of  the  positive
ray  bulb  is  considerable,  and  may  be  roughly  estimated  to
correspond  to  a  uniform  distribution  of  the  entire  current
over  a  |-  sq.  radian.  One  may  probably  assume  that  half  the
current  is  carried  by  the  positive  rays,  and  that  at  least  half=
 
the  positive  rays  consist  of  the  gases  desired.  If  neon  is
analysed  by  this  method  therefore  the  total  current  carried
by  the  positive  rays  of  mass  20  is
 
0005  x4:Xixlxi=3D  -0005  i.
 
If  i  is  as  large  as  5  miUiamperes  this  =3D  1-5  x    10*  E.S.U.=
 
1-5  X  10*
 
 
or
 
 
2-7  X  1019  X  4-77  X  10-1"
 
 
=3D  1-2  X  10"^  c.c./sec.
 
 
i.e.  one  might  obtain  about  one-tenth  of  a  cubic  millimetre  of
Ne2o  and  1/100  cubic  miUimetre  of  Ne^^  per  100  seconds  run.
It  is  obvious  that  even  if  the  difficulties  of  trapping  the  rays=
 
were  overcome,  the  quantities  produced,  under  the  most
favourable  estimates,  are  hopelessly  small.
 
===122.  Separation  by  photochemical    methods===
A  remarkably  beautiful    method  of    separating    the    isotopes    of=
 
 
 
138  ISOTOPES
 
chlorine  has  been  suggested  by  Merton  and  Hartley  which
depends  upon  the  following  photochemical  considerations.
Light  falling  on  a  mixture  of  chlorine  and  hydrogen  causes
these  gases  to  combine  to  form  hydrochloric  acid.  This  must
be  due  to  the  activation  of  the  atoms  of  hydrogen  or  those  of=
 
chlorine.  Supposing  it  to  be  the  latter  it  is  conceivable  that
the  radiation  frequency  necessary  to  activate  the  atoms  of
Cl^^  will  not  be  quite  the  same  as  that  necessary  to  activate
those  of  CP'^.  CaUing  these  frequencies  5^35  and  V37  respectively=
 
it  would  seem  possible,  by  excluding  one  of  these  frequencies
entirely  from  the  activating  beam,  to  cause  only  one  type  of
chlorine  to  combine  and  so  to  produce  pure  HCI^^  or  HCI^'.
Now  ordinary  chlorine  contains  about  three  times  as  much
CP^  as  CP^  and  these  isotopes  must  absorb  their  own  activat-
ing radiation  selectively.  In  this  gas  therefore  light  of
frequency  V35  will  be  absorbed  much  more  rapidly  than  that
of  frequency  V37,  so  that  if  we  aUow  the  activating  beam  to
pass  through  the  right  amount  of  chlorine  gas  V35  might  be
completely  absorbed  but  sufficient  V37  radiation  transmitted
to  cause  reaction.  On  certain  theories  of  photo-chemistry
light  containing  ^37  but  no  V35  would  cause  only  atoms  of
CP^  to  combine  so  that  a  pure  preparation  of  HCP^  would
result.  Pure  CP'^  made  from  this  product  could  now
be  used  as  a  filter  for  the  preparation  of  pure  HCP^,  and
this  in  its  turn  would  yield  pure  CP^  which  could  then  be
used  as  a  more  efficient  filter  for  the  formation  of  more
HCP^
 
Had  this  very  elegant  scheme  been  possible  in  practice  it
would  have  resulted  in  a  separation  of  a  very  different  order
to  those  previously  described  and  the  preparation  of  un-
limited quantities  of  pure  isotopes  of  at  least  one  complex
element.  There  is  however  little  hope  of  this,  for  so  far  the
results  of  experiments  on  this  method  have  been  entirely
negative.
 
===123.  Other  methods  of  separation  and  general  conclusions===
The  following  methods  have  also  been  suggested.
By  the  electron  impact  in  a  discharge  tube,  in  the  case  of  the
inert  gases,  the  Ughter  atoms  being  more  strongly  urged  towards
 
 
THE  SEPARATION  OF  ISOTOPES  139
 
the  anode  ;^  by  the  migration  velocity  of  ions  in  gelatine  ;  ^=
 
by  the  action  of  light  on  metallic  chlorides,^
 
A  survey  of  the  separations  actually  achieved  so  far  shows
that  from  the  practical  point  of  view  they  are  very  small.
In  cases  where  the  method  can  deal  with  fair  quantities  of
the  substance  the  order  of  separation  is  small,  while  in  the
case  of  complete  separation  (positive  rays)  the  quantities
produced  are  quite  insignificant.  We  can  form  some  idea  by
considering  the  quantity
 
Q  =3D  (difference  in  atomic  weight  achieved)  X  (average
quantity  of  two  fractions  produced  in  grammes).  As  regards
the  first  of  these  factors  the  highest  figure  so  far  was  0-13
obtained  by  the  writer  in  the  original  diffusion  experiments  on
neon,  but  as  the  quantities  produced  were  only  a  few  milli-
grams Q  is  negligibly  small.  The  highest  values  of  Q  have
been  obtained  by  Bronsted  and  Hevesy  by  their  evaporation
method.*  It  is  0-5  in  the  case  of  Hydrochloric  Acid,  0-34  in
that  of  Mercury.
 
When  we  consider. the  enormous  labour  and  difficulty  of
obtaining  this  result  it  appears  that  unless  new  methods  are
discovered  the  constants  of  chemical  combination  are  not
likely  to  be  seriously  upset  for  some  considerable  time  to  come.=
 
 
1  Skaupy,  Zeitsch.  Phys.,  3,  289,  460,    1920.
 
2  Lindemann,  Proc.  Roy.  Soc,  99A,  104,    1921.
 
3  Renz,  Zeit.  Anorg.  Chem.,  116,  62,    1921.
*  V.  p.  134.
 
 
==APPENDIX  I==
 
Table  of  atomic  weights  and  isotopes  of  the  elements.
 
  The  elements  are  given  in  order  of  their  atomic=
  numbers.  The
different  periods  are  indicated  by  gaps  after  the  inert  gases.
A  curious  relation,  pointed  out  by  Rydberg,  is  that  the
atomic  numbers  of  all  the  inert  gases  are  given  by  taking  the
series  2  (P  +  2^  +  22  +  3^  +  3^  +  4^  +      =
)  and  stoppmg  the
summation  at  any  term.  This  gives  the  numbers  used  by  Langmuir
(p.  95).
 
The  atomic  weights  given  are  the  International  ones  except  in
the  cases  marked  with  an  asterisk,  where  the  figures  are  taken  f=
rom
some  of  the  recent  determinations  given  below.
 
The  isotopes  where  known  are  given  in  order  of  their  atomic
masses.  The  proportion  of  an  isotope  in  a  complex  element  is
indicated  by  the  index  letters  a,  6,  c  ...  in  descending  order.=
 
In  the  case  of  isotopes  of  the  radioactive  elements  81-92  the  ro=
man
numeral  gives  the  number  of  them  believed  to  exist.  The  nomen-
clature of  some  of  the  rare  earths  69-72  is  not  yet  standardised.=
 
The  names  here  are  those  used  by  Moseley.  Some  of  these  elements=
,
though  detected  by  their  X-ray  spectra,  have  never  been  isolated.=
 
The  elements  corresponding  to  atomic  numbers  43,  61,  75,  85,  87=
 
(all  odd)  have  not  yet  been  discovered.
 
Recent  atomic  weight  determinations.  The  following  is  a
list  of  some  of  the  elements  whose  atomic  weights  have  been  re-=
 
determined quite  recently,  together  with  references  to  the  papers
in  which  they  were  published.  Where  more  than  one  value  is
given  different  methods  were  used  :
 
Fluorine  19-001.    Moles  and  Batuecas,  Jour.  Chim.  Phys.,  18,  35=
3,
 
1920.
Aluminium  26*963.    Richards  and  Krepelka,  Journ.  Am.  Chem.  Soc,=
 
 
42,  2221,    1920.
Silicon  28-111.    Baxter,  Weatherelland  Holmes,  ibid.,  42, 1194,    =
1920.
Scandium  45-10.    Honigschmid,  Zeit.  Electrochem.,  25,  93,    1919.=
 
Tin  118-703.    Baxter  and  Starkweather,  Journ.  Am.  Chem.  Soc,  42,=
 
 
905,    1920.
 
118-699.    Brauner  and  Krepelka,  ibid.,  42,  917,    1920.
 
141
 
 
142
 
 
APPENDIX  I
 
 
Tellurium    127-73,    127-79.    Bruylants    and    Michielsen,    Bull=
.    Acad.
 
Bdg.,  119,    1919.
Samarium  150 "43.    Owens,  Balke  and  Kremers,  Journ.    Am.    Chem=
.
 
Soc,  42,  515,    1920.
Thtdium  169-44,  169-66.    James  and  Stewart,  ibid.,  42,  2022,    =
1920.
Bismuth  209-02.    Honigschmid,  Zeit.  Electrochem.,  26,  403,    1920=
.
 
208-9967.    Classen  and  Wey,  Ber.,  53,  2267,    1920.
Antimony  121-773.    Willard  and  McAlpine,  Jouryi.  Am.  Chem.  Soc,  =
43,
 
797,    1921.
Lanthanum  138-912.    Baxter,  Tani  and  Chapin,  Journ.  Am.  Chem.=
 
 
Soc,  43,  1085,    1921.
Germanium  72-418.    Miller,  Journ.  Am.  Chem.  Soc,  43,  1085,    19=
21.
Zinc  65-38.    Baxter  and  Hodges,  i&amp;id.,  43,  1242,    1921.
Cadmium  112-411.    Baxter  and  Wilson,  ibid.,  43,  1230,    1921.
 
 
-Q
 
"  m
 
o^
 
Element.
 
2
 
a
 
if
 
Masses  of  isotopes.
 
=C2=A3  -2  *^  Hydrogen      .      .
 
H
 
1
 
1-008
 
1
 
1-008
 
f^^'o  Helium    .      .      .
 
He
 
2
 
4-00
 
1
 
4
 
&amp;&gt;  1"
 
00      Lithivim  .
 
Li
 
3
 
6-94
 
2
 
-
 
"      Beryllium
 
Be
 
4
 
91
 
1
 
9
 
r^      Boron
 
B
 
5
 
10-9
 
2
 
10=C2=BB  11"
 
3      Carbon    .
 
C
 
6
 
12-00
 
1
 
12
 
S      Nitrogen  .
 
N
 
7
 
14-008
 
1
 
14
 
^      Oxygen    .      .      .
 
0
 
8
 
16-00
 
1
 
16
 
0      Fluorine  .
 
F
 
9
 
19-00
 
1
 
19
 
''^      Neon  ....
 
Ne
 
10
 
20-20
 
2
 
20"  22*
23
 
oQ      Sodium    .
 
Na
 
11
 
2300
 
1
 
^      Magnesium    .
 
Mg
 
12
 
24-32*
 
3
 
24-=3D  25*  26^
 
Aluminium    .
 
Al
 
13
 
26-96*
 
_o      Silicon
 
Si
 
14
 
28-3
 
2
 
28"  29*  (30)
 
3      Phosphorus  .
 
P
 
15
 
31-04
 
1
 
31
 
^      Sulphur    .      .      .
 
s
 
16
 
3206
 
1
 
32
 
'S      Chlorine  .      .      .
 
CI
 
17
 
35-46
 
2
 
35"  37*  (39)
 
^      Argon      .      .      .
 
A
 
18
 
39-9
 
2
 
36*  40"
39"  41*
 
Potassium
 
K
 
19
 
39-10
 
2
 
Calcium  .
 
Ca
 
20
 
40-07
 
(2)
 
40  (44)
 
Scandium
 
Sc
 
21
 
45-1*
 
Titanium .
 
Ti
 
22
 
48-1
 
Vanadium
 
V
 
23
 
510
 
0
 
2      Chromium      .
 
Cr
 
24
 
52-0
 
H      Manganese    .
 
Mn
 
25
 
54-93
 
'      Iron    ....
 
Fe
 
26
 
55-84
 
n
 
^      Cobalt      .      .      .
 
Co
 
27
 
58-97
 
J      Nickel
 
Ni
 
28
 
58-68
 
2
 
58"  60*
 
P
 
n      Copper    .
 
Cu
 
29
 
63-57
 
J
 
=3D      Zinc    ....
 
Zn
 
30
 
65-37
 
(4)
 
(64=C2=B0  66*  68  7O&lt;0
 
*      Galliimi    .      .      .
 
Ga
 
31
 
70-10
 
Germanivmi  .
 
Ge
 
32
 
72-5
 
Arsenic    .
 
As
 
33
 
74-96
 
1
 
75
 
Seleniima .
 
Se
 
34
 
79-2
 
Bromine  .
 
Br
 
35
 
79-92
 
2
 
79"  81*
 
Krypton  .
 
Kr
 
36
 
82-92
 
6
 
78/  80  82'^    83-^  84=C2=BB
 
86*
 
APPENDIX  I
 
 
143
 
 
"S  .
 
^
 
o  *^
 
O^i
 
o  ^^
 
Element
 
o
 
X!
 
E
&gt;,
 
00
 
Masses  of  Isotopes.
 
Rubidium
 
Rb
 
37
 
85-45
 
2
 
85"  87*
 
Strontium
 
Sr
 
38
 
87-63
 
Yttrium  .
 
Y
 
39
 
89-33
 
Zirconium
 
Zr
 
40
 
90-6
 
Niobium  .
 
Nb
 
41
 
93-1
 
00      Molybdenum
 
Mo
 
42
 
96-0
 
*H                                          _    ~
 
 
 
43
 
 
 
'-'      Ruthenium    .
 
Ru
 
44
 
101-7
 
'o      Rhodium.
 
Rh
 
45
 
102-9
 
=C2=A7      Palladium
 
Pd
 
46
 
106-7
 
An      Silver  ....
 
Ag
 
47
 
107-88
 
X      Cadmium
 
Cd
 
48
 
112-40
 
"O      Indiimi    .
 
In
 
49
 
114-8
 
Tin      ...      .
 
Sn
 
50
 
118-7
 
Antimony
 
Sb
 
51
 
120-2
 
Tellurium
 
Te
 
52
 
127-5
 
Iodine
 
I
 
53
 
126-92
 
1
 
127
 
L      Xenon
 
X
 
54
 
130-2
 
(7)5
 
(128)  129"  (130)  13P  132=C2=BB
134''  136"
 
Caesium  .
 
Cs
 
55
 
132-81
 
1
 
133
 
Barium    .
 
Ba
 
56
 
137-37
 
Lanthanum  .
 
La
 
57
 
139-0
 
Cerium
 
Ce
 
58
 
140-25
 
Praseodymium  .
 
Pr
 
59
 
140-6
 
Neodymiimi .
 
Nd
 
60
 
144-3
 
 
 
 
 
61
 
 
 
Samarium
 
Sm
 
62
 
150-4
 
Europium
 
Eu
 
63
 
152-0
 
Gadolinium  .
 
Gd
 
64
 
157-3
 
Terbium  .
 
Tb
 
65
 
159-2
 
Dysprosium  .
 
Ds
 
66
 
162-5
 
c
 
5      Holmium
 
Ho
 
67
 
163-5
 
J,      Erbium    .
 
Er
 
68
 
167-7
 
=C2=B0      Thulium  .      .      .
 
Tu
 
69
 
168-5
 
1      Ytterbiiun    .      .
 
Yb
 
70
 
173-5
 
'C      Lutecuim
 
Lu
 
71
 
175
 
Pm      (Keltium)      .      .
 
(Kt)
 
72
 
ji      Tantalum
 
Ta
 
73
 
181-5
 
&lt;=C2=BB      Tungsten.
 
W
 
74
 
1840
 
 
 
 
 
75
 
 
 
Osmium  .
 
Os
 
76
 
190-9
 
Iridium    .
 
Ir
 
77
 
193-1
 
Platinimi .
 
Pt
 
78
 
195-2
 
1
 
Gold  ....
 
Au
 
79
 
197-2
 
Mercury  .
 
Hg
 
80
 
200-6
 
(6)
 
(197-200)  202  204
 
Thallium .      .      .
 
Tl
 
81
 
204-0
 
IV
 
Lead  ....
 
Pb
 
82
 
207-2
 
XI
 
Bismuth  .
 
Bi
 
83
 
209-0*
 
V
 
Poloniuna
 
Po
 
84
85
 
z
 
VII
 
L  Emanation
 
Em
 
86
 
222-0
 
III
 
i
 
87
 
.2      Radium  .
=C2=AE      Actinium.
 
Ra
 
88
 
226-0
 
IV
 
Ac
 
89
 
 
 
II
 
^      Thorium  .      .      .
 
Th
 
90
 
23215
 
VI
 
^      Uranium  X  .
 
UX
 
91
 
II
 
t_    Uranium
 
Ur
 
92
 
238-2
 
II
 
==APPENDIX  II==
 
The  Periodic  Table  of  the  Elements.  The  atomic  numbers  ar=
e  given  in
bold  type,  the  atomic  weights  in  italics  and  the  isotopes,  where =
known,  in
ordinary  numerals.  The  roman  ntmierals  indicate  the  chemical  groups and
the  most  important  associated  valencies  are  given  below  them.  Elem=
ents
are  placed  to  the  left  or  to  the  right  of  the  columns  according=
to  their  chemical
properties,  those  in  the  same  vertical  line  as  each  other  have  s=
trong  chemical
similarities.  The  Rare  Earth  group  is  surrounded  by  a  thick  line.=
Elements
59-72  have  no  properties  pronounced  enough  to  give  them  definite  =
places
in  the  table.    The  properties  of  the  missing  elements  can  be  p=
redicted  with
 
PERIODIC  TABLE  OF
 
 
IH
 
1-008
 
 
Valency
 
0
 
I
 
+  1
 
II
 
+  2
 
III
 
+  3
 
IV
 
+  4
 
2  He
 
4-00
4
 
3  Li
 
6-94
6,  7
 
4  Be
 
9-1
 
9
 
5B
10-9
10,  11
 
60
 
12-00
12
 
10  Ne
 
20-2
20,  22
 
11  Na
 
23-00
23
 
12  Mg
 
24-32
 
24,  25,  26
 
13  AI
 
26-96
 
14  Si
28-3
28,29
 
18  A
 
39-9
36,  40
 
19  K
 
39-1
39,  41
 
29  Cu
 
63-57
 
20  Ca
 
40-07
 
30  Zn
 
65-37
 
21  Sc
45-1
 
31  G
 
70-1
 
22  Ti
48-1
 
32  Ge
 
72-5
 
36  Kr
 
82-92
 
78,  80,  82,  83,
84,  86
 
37  Rb
 
85-45
 
85,  87
 
47  Ag
107-88
 
38  Sr
 
87-83
 
48  Cd
112-40
 
39  Y
 
89-33
 
49  In
 
114-8
 
40  Zr
 
90-6
 
50  Sn
 
118-7
 
54  Xe
 
130-2
 
129,  131,  132,
134,  136
 
55  Cs
 
132-81
 
133
 
56  Ba
 
137-37
 
57  La                      58  Ce
139-0                        140-25
 
59  Pr      eONd      61        62  Sm          63  Eu        =
    64  Gd          65  Tb
140-6      144-3                        150-4            152-0          =
      157-3          159-2
 
66  Ds      67  Ho    68  Ev        69  Tu          70  Yb              7=
1  Lu          72  (Kt)
162-5      163-5      1677            168-5          173-5              =
175
 
79  Au
 
197-2
 
80  Hg
 
200-6
197-204
 
81  Tl
 
204-0
 
82  Pb
 
207-2
 
86  Em
 
222-0
 
87-
 
88  Ra
 
226-0
 
89  Ac
 
90  Th
 
232-15
 
144
 
considerable  certainty  from  the  positions  of  their  atomic  numbers. From
the  point  of  view  of  the  construction  of  the  atom  the  inert  gas=
es  should  mark
the  end  of  the  periods  as  they  are  shown  to  do  ua  the  hst  of =
atomic  weights
in  Appendix  I,  on  the  other  hand  it  is  more  usual  in  chemistry =
to  start  with
valency  0.  From  principles  of  general  convenience  of  arrangement  t=
he
latter  plan  is  adopted  in  this  table,  which  is  intended  to  give =
the  maximum
amount  of  chemical  information.  Hydrogen,  which  belongs  equally  wel=
l
to  group  I  or  group  VII,  is  best  omitted  from  the. table  altoget=
her.
 
THE  ELEMENTS
 
 
V
 
VI
 
VII
 
VIII
 
3
 
2
 
-
 
-1
 
7N
 
80
 
9F
 
14-01
 
16-00
 
1900
 
14
 
16
 
19
 
15  P
 
16  S
 
17  CI
 
31-04
 
32-06
 
35-46
 
31
 
32
 
35,  37
 
23  V
 
24  Cr
 
25  Mn
 
26  Fe
 
27  Co
 
28  Ni
 
Sl-O
 
33  As
 
74-96
75
 
52-0
 
34  Se
 
79-2
 
54-93
 
35  Br
 
79-92
79,  81
 
55-85
 
58-97
 
58-68
58.60
 
41  Nb
 
42  Mo
 
43
 
44  Ru
 
45  Rh
 
46  Pd
 
93-5
 
51  Sb
120-2
 
96-0
 
52  Te
127-5
 
531
 
126-92
127
 
101-7
 
102-9
 
106-7
 
73  Ta
 
74  W
 
7&amp;-
 
76  0a
 
77  Ir
 
78  Pt
 
181-5
 
83  Bi
 
209-0
 
184-0
 
84  Po
 
85
 
190-9
 
1931
 
195-2
 
91  UX
 
ii
 
92  U
 
238-2
 
145
 
Recent  results  obtained  by  Dempster.  Thanks  to  a  private=
 
communication  the  writer  is  able  to  include  some  further  results=
 
obtained  by  Dempster  and  a  diagram  of  his  apparatus  for  obtaining=
 
 
 
Fig.  19.  Diagram  of  Anode  in  Dempster's  latest  apparatus.=
 
 
positive  rays  from  metals.  A  full  account  is  to  appear  in  the
Physical  Review.  Fig.  19  shows  the  new  arrangement  of
vaporising  furnace  A  and  ionising  filament  C.  The  analysing
apparatus  has  already  been  described  on  p,  31  and  the  results  wi=
th
 
 
.4F
 
 
5-9
 
 
f
 
'
 
1
 
k
 
Lithium.
 
\
 
1
 
\
 
1
 
\
 
)
 
J
 
[
 
&lt;=3D/
 
v..
 
^^
 
/
 
K
 
9
 
30
 
 
ZO
 
 
10
 
 
60
 
 
6-1
 
 
6-9
 
Atomic  Weight.
 
 
7-0
 
 
7-1
 
 
Fig.  20.  Curve  for  Lithium.
146
 
==APPENDIX  III==
 
 
147
 
 
magnesium  on  p.  81.  Fig.  20  shows  one  of  the  curves  obtained
with  lithium.  It  will  be  seen  that  the  relative  intensities  of  t=
he
isotopes  is  entirely  different  from  that  found  by  the  writer  (p. =
86)
and  also  disagrees  very  definitely  with  the  chemical  atomic  weight=
.
Dempster  describes  these  relative  intensities  as  varying  very
considerably.  This  is  a  most  remarkable  phenomenon  and  further
information  upon  it  is  very  desirable.  There  seems  just  a  possibi=
lity
that  the  6  line  is  enhanced  by  doubly  charged  carbon  but  it  is =
not
easy  to  see  where  such  particles  could  be  produced.
 
l/oltS  943    928    913-5    899-5    886      873    860    847-5=
 
 
 
J
 
\
 
Zinc.
 
1
 
t
 
\
 
1
 
\
 
1
 
\
 
f
 
\
 
r
 
\
 
\
 
1
 
1
 
\
 
\i
 
1
 
1
 
\
 
/
 
\
 
I
 
/
 
1
 
=C2=AE
 
l/
 
\
 
1
 
i^
 
\
 
^^
 
62      63      64      65      66      67
Atomic  Weight.
 
Fig.  21.  Curve  for  Zinc.
 
 
68      69
 
 
70
 
 
Fig.  21  gives  a  remarkable  curve  obtained  from  zinc.  This
indicates  three  strong  isotopes  and  a  faint  fourth.  The  absolute=
 
scale  of  atomic  weight  is  not  known  with  certainty,  and  the  valu=
es
63,  65,  67,  69  are  given  by  Dempster  as  those  in  best  agreement=
 
with  the  atomic  weight  65-37.    Considering  that  the  error  in  th=
e
 
 
148  APPENDIX  III
 
mean  atomic  weight  of  lithium,  when  calculated  on  these  lines,
is  about  5  per  cent,  it  would  appear  possible  that  these  might  =
be  a
unit  too  high  or  too  low.  The  probability  of  this  is  strengthene=
d
very  much  by  the  rule  given  on  p.  110  connecting  even  atomic
number  with  even  atomic  weight.
 
Results  with  calcium  show  only  one  line.  This  makes  it  extremely=
 
probable  that  this  is  a  simple  element  of  atomic  weight  40  and=
 
therefore  an  isobare  of  argon. ^
 
Note.  In  a  still  later  communication  Dempster  states  that =
he
has  been  successful  in  using  an  anode  of  calcium  to  which  a  sma=
U
quantity  of  zinc  had  been  added.  By  this  means  he  is  able  to
compare  the  masses  of  the  zinc  isotopes  with  the  strong  calcium=
 
maximum,  assumed  as  40.  This  gives  the  atomic  weights  as  64,
66,  68  and  70.  The  intensities  are  quite  different  to  those  in  =
the
curve  given  above  for  zinc.  64  is  now  the  strongest,  66  and  68=
 
fainter,  while  70  is  very  faint  indeed.  No  explanation  is  yet
advanced  for  these  remarkable  irregularities  in  relative  intensity.=
 
 
He  has  also  observed  a  small  maximum  at  44  invariably  accom-
panying the  strong  calcium  maximum  40.  This  he  considers  to  be
probably  due  to  an  isotope  of  that  element  present  in  smaU  quant=
ity
as  suggested  by  the  atomic  weight  40  07.
 
The  above  values  are  included  provisionally  in  the  tables  on
pages  89  and  142.
 
"  V.  p.  88.
 
 
==INDEX==
 
 
Abnormal  hydrides,  98
 
Abundance  of  the  elements,  111
 
Accuracy  of  mass-spectrograph,  60
 
Actinivim  chain,  14,  15
 
Additive  law  of  mass,  99
 
Alkali  metals,  mass-spectra  of,  83
 
Alpha  ray  changes,  13
 
Analysis  of  the  elements,  63
 
Andrade    and    Rutherford,    11
 
Anode,  composite,  80,  86
      hot,  80,  83,  84
 
Anticathode,  silica,  48
 
Antimony,  78
 
Argon,  66
 
Aronbeeg,  123
 
,,  and  Harkins,  124
 
Atmolysis,  separation  by,  127
 
Atomic  number,  13,  93
      theory,  2
,,      volume  of  isotopes,  18
      weights,  tables  of,  89,  141
      weights  of  radio -elements,  13,
141
 
Atoms,  structure  of,  90
 
Balke,  Owens  and  Kremers,  142
Barkla,  93
 
Batuecas  and  Moles,  141
Baxter  and  Hodges,  142
and  Parsons,  113
and  Starkweather,  141
and  Wilson,  142
Tani  and  Chapin,  142
Weatherell  and  Holmes,
73,  142
Beryllium,  88
Beta  ray  change,  13
Bohr,  94,  95,  121,  122,  123
 
,,  atom,  95
BOLTWOOD,  1,  7
Boron,  72
 
      anomalous  atomic  weight  of,
 
114
      trifluoride,  73
Bracketing,  method  of,  59,  69
Brauner  and  Krepelka,  141
Broek,  Van  den,  93,  94,  116
Bromine,  76
 
 
Bronsted  and  Hevesy,  135, 136, 139
 
Brosslera,  102,  104
 
Bruylants  and  Michielson,  142
 
Caesium,  87
 
,,        anomalous    atomic    weight
of,  114
Calcium,  88,  148
Calibration  curve,  55
Camera  of  mass-spectrograph,  51
 
      positive  ray,  26
Canalstrahlen,  22
Carbon,  63
 
Carnotite,  lead  from,  124
Cathode  rays,  22,  24
Chadwick,  94
 
  and  Rutherford,  103
 
Chapin,  Baxter  and  Tani,  142
Chapman,  130
 
        and  DooTSON,  130
Chemical  action,  separation  by,  133
        law  of  radioactive  change,
11
Chlorine,  65,  113
 
        separation  of  the  isotopes
of,  136
Classen,  31
 
and  Wey,  142
Claude,  35
Cleveite,  lead  from,  17
Coincidence,  method  of,  57
Composite  anode,  80,  86
Constancy  of  chemical  atomic  weights,
 
22
Cosmical  effect  of  change  of  mass,  103
Crookes,  3,  4,  24,  115,  117
,,        dark  space,  24,  35
        theory  of  the  evolution  of
elements,  117
Curie,  Mlle.  I.,  113
    M.,  18
 
Dalton's  hypothesis,  2
Darwin,  15
 
Davies  and  Horton,    68
Deflection  of  positive  rays,  27
Dempster,  31,  80,  81,  86,  114,  146
 
 
149
 
 
150
 
 
INDEX
 
 
Dempster's  method  of  analysis,  31,146
Density  balance,  35
 
,,        of  isotopic  leads,  17,  18
Diffusion  of  neon,  39
 
separation  by,  127
velocity,  determination  of,
20
Disintegration  theory  of  the  evolu-
tion of  elements,  116
Distillation  of  neon,  37
Distribution    of    lines    on    mass-
 
spectrum,  64
DooTSON  and  Chapman,  130
Du  Bois  magnet,  61
 
Eddington,  104
 
Einstein's  theory  of  relativity,  103
Electrical  theory  of  matter,  90
Electric  discharge  in  gases,  23
 
,,        field    of    mass-spectrograph,
50
Electricity  as  an  element,  115
Electrochemical  properties  of  isotopes,
 
10
Electron,  the,  91
 
Element,  meaning  of  the  word,  115
Enskog,  130
Epstein,  95
ExNER  and  Haschek,  121
 
Fa  JANS,  11
 
First  order  lines,  61
 
Fleck, 12
 
Fluorine,  72,  97
 
Focussing  positive  rays,  44
 
FOWLEB,  123
 
      and  Aston,  45
Fractional  distillation,  separation  by,
 
133
Fbanck  and  Knipping,  68
 
Gehrcke,  102
 
,,        and  Reichenheim,  80,  83,
88
Geigek  and  Nuttall,  10,  13
Goldstein,  22
Gravitation  effect  on  spectra,  121
 
        separation  by,  131
Groh  and  Hevesy,  20,  135
 
Hahn,  8
 
        and  Meitner,  8
Halation  effect,  60
Half-tone  plates,  25
Hall  and  Harkins,  116
Harkins,  102,  111,  116,  129
 
        and  Aronberg,  124
 
        and  Hall,  116
 
,,        and  Wilson,  116
Haschek  and  Exner,  121
Helium,  67,  69,  106
 
 
Hevesy,  10,  12,  19
 
      and  Bronsted,  136,  136,
 
139
      and  Groh,  20,  135
      and  Paneth,  11
      and  Zechmeisteb,  20
Hodges  and  Baxter,  142
Holmes,  Baxteb  and  Weathebell,
 
73,  141
Honigschmid,  17,  18,  141,  142
 
  and    Horovitz,    18,
 
121
Horovitz  and  Honigschmid,  18,  121
HoBTON  and  Davies,  68
Hot  anode,  80,  83,  84
Hydrochloric  acid,  diffusion  of,  129
Hydrogen,  67,  69,  106
Hyman  and  Soddy,  17,  121
 
Ibbs,  130
 
Imes,  125,  126
 
Indicators,  radioactive,    19
 
Infra-red  spectrum  of  isotopes,  125
 
Intensity  of  positive  rays,  44
 
Iodine,  78
 
Ionic  dissociation  theory,  proof  of,  20
 
lonisation  in  discharge  tube,  24
 
Ionium,  1,  7,  9,  18
 
,,        atomic  weight  of,  18
Isobares,  12,  13,  97,  110
Isotopes,  definition  of,  12
 
diagrams  of,  97
 
discovery  of,  5
 
melting  point  of,  18
 
refractive  index  of,  18
 
separation  of,  127
 
solubility  of,  18
 
table  of,  89,  141
 
James  and  Stewabt,  142
JoLY  and  Poole,  133
 
Keetman,  7
 
Kernel  of  atom,  98
 
Kibchoff,  116
 
Knipping  and  Franck,  68
 
kohlweiler,  116
 
Kratzer,  126
 
Kremers,  Owens  and  Balke,  142
 
Krepelka  and  Bbaun,  141
 
,,  and  RiCHABDS,  141
 
Krypton,  70
 
,,        anomalous  atomic  weight
of,  114
 
Landaueb  and  Wendt,  70
Langmuib,  95,  96,  99
Lead,  atomic  weight  of,  16
 
,,      from  carnotite,  124
 
,,      from  thorite,  17
 
      isotopes  of,  14,  15
 
 
INDEX
 
 
15)
 
 
Lembert  and  Richards,  17,  121
Lewis-Langmuir  atom,  95
LmDEMANN,  102,  124,  134,  139
 
,,  and  Aston,  131
 
Lines  of  first  and  second  order,  61,  76
 
      of  reference,  55,  64
Lithium,  86,  97,  146
LooMis,  125,  126
 
LUDLAM,  129
 
McAxpiNE  and  Willard,  142
 
Magnesimn,  80
 
Magnetic  field  of  mass-spectrograph,
 
51
Marckwald,  7,  8
Mass,  change  of,  100
 
      deduced  from  parabolas,  28
 
    deduced  from  mass -spectrum,
55
Mass-spectrograph,  43
Mass-spectrum,  47,  54
Measurement    of    lines    on    mass-
 
spectrum,  59
Meitner,  21
 
,,        and  Hahn,  8
Melting  point  of  isotopes,  18
Mercury,  72,  80
 
  parabolas  of,  30
 
        separation  of  the  isotopes
of,  134
Merton,  121,  123,  124,  125
Mesothorium,  8,  10
Meta-elements,  4
 
Metallic  elements,  mass-spectra  of,  80
Meteoric  nickel,  113
MiCHiELSON  and  Bruylants,  142
Microbalance  for  density,  35
MiLLIKAN,  22,  91
 
Molecular  lines  of  second  order,  75
Moles  and  Batuecas,  141
MOSELEY,  11,  93,  115
Mtjller,  142
Multiply  charged  rays,  30
 
Natural  numbers  and  atomic  weights,
 
111
Negatively  charged  rays,  29,  62
Negative  mass-spectra,  62,  66
Neon,  1,  33,  64,  97
Neuberger,  21
Nickel,  79
 
      meteoric,  113
Nitrogen,  67,  110
Nomenclature  of  isotopes,  61
Nucleus  atom,  10,  92,  97,  125
 
        structure  of,  101
Ntjttall  and  Geiger,  10,  13
 
Order,  lines  of  first  and  second,  61
Owens,  Balke  and  Kremers,  142
Oxygen,  63
 
 
Packing  effect,  100
Paneth  and  Hevesy,  11
Parabola  method  of  analysis,  25
Parsons  and  Baxter,  113
Perforated  electrodes,  22,  24
Periodic  law,  11,  12,  34
 
        table  of  the  elements,  144,
145
Period  of  radio-elements,  13
Perrin,  104
Phosphonas,  77
 
Photochemical  separation,  137
Photographic  plates  for  positive  rays,
 
25
Planck's  quantum,  95
Planetary  electrons,  92
Poole,  133
 
      and  JoLY,  133
Positive  ray  paraljolas,  28
 
        rays,  22
 
      separation    by,    136
 
Potassium,  87
Pressure  diffusion,  131
Proton,  the,  92
Protyle,  90,  118
Prout's  hypothesis,  2,  90,  100
 
 
Radioactive  isotopes,  7,  14
 
        classification  of,
 
21
  transformations,  13,  14,
 
15
Radium  B  and  lead,  11
        D  and  lead,  11
Ramsay,  115
 
        and  Collie,  39
        and  Travers,  33
Ratner,  24
Rayleigh,  127
Reference  lines,  55,  64
Refractive  index  of  isotopes,  18
Reichenheim  and  Gehrcke,  80,  83,
 
88
Renz,  139
 
Resolving    power    of    mass-spectro-
graph, 60
Richards  17
 
        and  Krepelka,  141
        and  Lembert,  17,  121
        and  Wads  WORTH,  17
Richardson,  85
Rossi  and  Russell,  9,  120
Rubidium,  87
Russell,  U
 
        and  Rossi,  9,  120
Rutherford,  Sir  E.,  7,  9,  13,  92,  93,
102
  and  Chadwick,  103
 
  and  Andrade,  11
 
Rydberg,  141
 
 
162
 
 
INDEX
 
 
SCHUTZENBERGER,  3
 
Screens,  willemite,  25
 
Secondary  rays,  29
 
Second  order,  lines  of  the,  61
 
Selenium,  77
 
Separation  of  isotopes,  127
 
Silicon,  72
 
      fluoride,  74
Skaupy,  139
 
Slit  system  of  mass-spectrograph,  49
Smith  and  Van  Haagen,  72
SoDDY,  6,  8,  10,  11,  12,  13,  14,  16,  17,
35
 
      and  Hyman,  17,  121
Sodium,  86
Solubility  of  isotopes,  18
 
SOMMERFEIiD,  95
 
Spectra  of  isotopes,  9,  121,
 
Spectrum  lines,  form  of,  53
 
Spencer,  91
 
Starkweather  and  Baxter,  141
 
Stas,  91
 
Statistical  relation  of  isotopes,  109
 
Stewart,  11,  12
 
        and  James,  142
Sulphur,  76
 
Tani,  Baxter  and  Chapin,  142
Tellurium,  77
Thermal  diffusion,  129
Third  order  line  of  argon,  67
 
      lines  of,  61
 
Thomson,  G.  P.,  86,  88
 
Sir  J.  J.,  1,  22,  29,  33,  62,
70,  72,  75,  84,  91,  129
Thorite,  17,  18
Thorium,  7,  9,  14,  15,  18,  120
 
 
Thorium,  chain,  17,  18,  116
 
,,  atomic  weight  of,    18
 
Tin,  78
Travers,  39
 
        and  Ramsay,  33
Triatomic  hydrogen,  70
 
Unitary  theory  of  matter,  90
Uranium,  10,  120
,,        chain,  15
 
Valency  electrons,  98
 
Van  Haagen  and  Smith,  72
 
Wadsworth  and  Richards,  17
Watson,  33
 
        and  Aston,  24,  35
Weatherell,  Baxter  and  Holmes,
 
73,  141
Welsbach,  8
 
Wendt  and  Landaueb,  70
Wey  and  Classen,  142
Whole  number  rule,  90
WiEN,  22
 
WiLLARD  and  McAlpine,  142
Willemite  screens,  25
Wilson  and  Baxter,  142
        and  Harkins,  116
 
Xenon,  70
:anomalous  atomic  weight  of, 114
X-ray  spectra  of  isotopes,  1 1
 
Zechmeister  and  Hevesy,  20
Zinc,  147


==Sub Pages==
{{Special:PrefixIndex/{{FULLPAGENAME}}/}}


[[category:reference]]
[[category:reference]]

Latest revision as of 18:38, 1 August 2025

Isotopes

Francis William Aston (1922), Isotopes, ISBN 978-1016732383, Internet Archive.

PREFACE

I have undertaken the preparation of this book on isotopes in response to many requests made to me by teachers of physics and chemistry and others working in these subjects that I should publish the results obtained by means of the mass spectrograph in a form more convenient to the public than that in which they first appeared. This is one of the reasons why the space allotted to the inactive isotopes may appear, in the light of the general title of the book, somewhat disproportion- ately large. Another is that the subject of radioactive isotopes really requires a book to itself, and I am in the hope that the inadequacy of my account may stimulate the production of such a volume by hands more competent than mine to deal with this very special and remarkable field of modern science. The logical order of exposition of a scientific subject is to start with the simple and from that build up the more complex. Unfortunately the sequence of events in experimental research is the exact opposite of this so that a compromise must be effected, unless one is content to sacrifice historical treatment altogether. The latter seems very undesirable in a new subject. I have endeavoured in Chapters I, II and IV, and elsewhere when possible, to adhere strictly to the historical order of events even at the cost of some reiteration.

I wish to take this opportunity of expressing my indebted- ness to Mr. C. G. Darwin for his timely criticism and unfailing assistance throughout the work, and also to Mr. R. H. Fowler for help with the proofs. My thanks are also due to Professor Soddy for his diagram of the radioactive isotopes, to Mr. A. J. Dempster for kindly sending me the illustrations of his work, to the proprietors of the Philosophical Magazine and to the Council of the Chemical Society for permission to use the plates and figures of my original papers, and to Messrs. Macmillan & Co., for the diagram of the radioactive transformations.

F. W. Aston
Cambridge,
January, 1922.

Sub Pages

Retrieved from "https://msterms.org/wiki/index.php?title=Aston_1922&oldid=21777"