Aston 1922: Difference between revisions

From Mass Spec Terms
← Older edit
No edit summary
 
(13 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)==
 
[[Aston 1922/Chapter 7]]
 
==CHAPTER  VIII - THE  ELECTRICAL  THEORY  OF  MATTER==
[[Aston 1922/Chapter 8]]
 
==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"