Thomson 1904: Difference between revisions

From Mass Spec Terms
← Older edit
No edit summary
 
(9 intermediate revisions by the same user not shown)
Line 1: Line 1:
ELECTRICITY  AND MATTER
<big><big>Electricity and Matter</big>[https://archive.org/details/electricitymatte00thomiala/page/n15/mode/2up]</big>


[[wikipedia:J. J. Thomson|J. J. Thomson]], D.Sc., LL.D., PH.D., F.R.S.


"
Fellow of Trinity College, Cambridge; [[wikipedia:Cavendish Professor of Physics|Cavendish Professor of Experimental Physics]], Cambridge


J.  J.  THOMSON,  D.Sc.,  LL.D.,  PH.D.,  F.R.S.
With Diagrams


""FELLOW  OF  TRINITY  COLLEGE,  CAMBRIDGE;  CAVENDISH PROFESSOR  OF  EXPERIMENTAL  PHYSICS,  CAMBRIDGE
New York


Charles Scribner's Sons 1904


WITH  DIAGRAMS
Copyright, 1904 by [[wikipedia:Yale University|Yale University]]


Published, March, 1904


NEW  YORK
==The Silliman Foundation==


CHARLES  SCRIBNER'S  SONS 1904
In the year 1883 a legacy of eighty thousand dollars was left to the President and Fellows of Yale College in the city of New Haven, to be held in trust, as a gift from her children, in memory of their beloved and honored mother Mrs. Hepsa Ely Silliinan.


On this foundation Yale College was requested and directed to establish an annual course of lectures designed to illustrate the presence and providence, the wisdom and goodness of God, as manifested in the natural and moral world. These were to be designated as the Mrs. Hepsa Ely [[Wikipedia:Silliman Memorial Lectures|Silliman Memorial Lectures]]. It was the belief of the testator that any orderly presentation of the facts of nature or history contributed to the end of this foundation more effectively than any attempt to emphasize the elements of doctrine or of creed; and he therefore provided that lectures on dogmatic or polemical theology should be excluded from the scope of this foundation, and that the subjects should be selected rather from the domains of natural science and history, giving special prominence to astronomy, chemistry, geology, and anatomy.


COPYRIGHT,  1904 BY  YALE  UNIVERSITY
It was further directed that each annual course should be made the basis of a volume to form part of a series constituting a memorial to Mrs. Silliman. The memorial fund came into the possession of the Corporation of Yale University in the year 1902; and the present volume constitutes the first of the series of memorial lectures.
 
Published,  March,  1904
 
 
THE  SILLIMAN  FOUNDATION.
 
In  the  year  1883  a  legacy  of  eighty  thousand  dollars was  left  to  the  President  and  Fellows  of  Yale  College in  the  city  of  New  Haven,  to  be  held  in  trust,  as  a gift  from  her  children,  in  memory  of  their  beloved  and honored  mother  Mrs.  Hepsa  Ely  Silliinan.
 
On  this  foundation  Yale  College  was  requested  and directed  to  establish  an  annual  course  of  lectures  de- signed to  illustrate  the  presence  and  providence,  the wisdom  and  goodness  of  God,  as  manifested  in  the natural  and  moral  world.  These  were  to  be  designated as  the  Mrs.  Hepsa  Ely  Silliinan  Memorial  Lectures.  It was the  belief  of  the  testator  that  any  orderly  presenta- tion of  the  facts  of  nature  or  history  contributed  to the  end  of  this  foundation  more  effectively  than  any attempt  to  emphasize  the  elements  of  doctrine  or  of creed;  and  he  therefore  provided  that  lectures  on  dog- matic or  polemical  theology  should  be  excluded  from the  scope  of  this  foundation,  and  that  the  subjects  should be  selected  rather  from  the  domains  of  natural  science and  history,  giving  special  prominence  to  astronomy, chemistry,  geology,  and  anatomy.
 
It  was  further directed that each annual course should be made the basis of a volume to form part of a series constituting a memorial to Mrs. Sillimau. The memo- rial fund came into the possession of the Corporation of Yale University in the year 1902; and the present volume constitutes the first of the series of memorial lectures.




==PREFACE==
==PREFACE==
[[File:J.J. Thomson LCCN2014715407.jpg|400 px|right]]
In these Lectures given at [[Wikipedia:Yale University|Yale University]] in May, 1903, I have attempted to discuss the bearing of the recent advances made in Electrical Science on our views of the Constitution of Matter and the Nature of Electricity; two questions which are probably so intimately connected, that the solution of the one would supply that of the other. A characteristic feature of recent Electrical Researches, such as the study and discovery of Cathode and Rontgen Rays and Radio-active Substances, has been the very especial degree in which they have involved the relation between Matter and Electricity.


In these  Lectures  given  at  Yale  University  in May,  1903,  I  have  attempted  to  discuss  the  bear- ing of  the  recent  advances  made  in  Electrical Science  on  our  views  of  the  Constitution  of  Matter and  the  Nature  of  Electricity;  two  questions which  are  probably  so  intimately  connected,  that the  solution  of  the  one  would  supply  that  of  the other.  A  characteristic  feature  of  recent  Electri- cal Researches,  such  as  the  study  and  discovery of  Cathode  and  Rontgen  Rays  and  Radio-active Substances,  has  been  the  very  especial  degree  in which  they  have  involved  the  relation  between Matter  and  Electricity.
In choosing a subject for the Silliman Lectures, it seemed to me that a consideration of the bearing of recent work on this relationship might be suitable, especially as such a discussion suggests multitudes of questions which would furnish admirable subjects for further investigation by some of my hearers.
 
In  choosing a subject for the Silliman Lectures, it seemed to me that a consideration of the bear- ing of recent work on this relationship might be suitable, especially as such a discussion suggests multitudes of questions which would furnish ad- mirable subjects for further investigation by some of my hearers.


Cambridge, Aug., 1903.
::Cambridge, Aug., 1903.
 
J.  J.  THOMSON.


::J. J. Thomson


==CONTENTS==
==CONTENTS==


CHAPTER-  I
;Chapter I
 
:[[Thomson 1904/Chapter 1|Representation of the Electric Field by Lines of Force]]
CHE  ELECTRIC OF  FORCE 1
 
 
PAGE
 
REPRESENTATION  OF  THE  ELECTRIC  FIELD  BY  LINES
 
 
CHAPTER  II ELECTRICAL  AND  BOUND  MASS 30
 
CHAPTER  III
 
EFFECTS  DUE  TO  THE  ACCELERATION  OF  FARADAY TUBES 68
 
CHAPTER  IV THE  ATOMIC  STRUCTURE  OF  ELECTRICITY    ...      71
 
CHAPTER  V
 
THK  CONSTITUTION  OF  THE  ATOM 90
 
CHAPTER  VI
 
llAUIO-ACTIVITY  AND  RADIO-ACTIVE  SUBSTANCES  .  .      140
 
 
ELECTRICITY  AND  MATTER
 
==CHAPTER  I==
 
[[Thomson 1904/Chapter 1]]
 
==CHAPTER  II==
 
ELECTRICAL  AND  BOUND  MASS.
 
[[Thomson 1904/Chapter 2]]
 
==CHAPTER  III==
 
EFFECTS  DUE  TO  ACCELERATION    OF  THE FARADAY  TUBES
 
Rontgen  Rays  and  Light
 
WE  have  considered  the  behavior  of  the  lines of  force  when  at  rest  and  when  moving  uniformly, we  shall  in  this  chapter  consider  the  phenomena which  result  when  the  state  of  motion  of  the  lines is  changing.
 
Let  us  begin  with  the  case  of  a  moving  charged point,  moving  so  slowly  that  the  lines  of  force  are uniformly  distributed  around  it,  and  consider  what must  happen  if  we  suddenly  stop  the  point.  The Faraday  tubes  associated  with  the  sphere  have inertia;  they  are  also  in  a  state  of  tension,  the tension  at  any  point  being  proportional  to  the  mass per  unit  length.  Any  disturbance  communicated to  one  end  of  the  tube  will  therefore  travel  along it  with  a  constant  and  finite  velocity  ;  the  tube  in fact  having  very  considerable  analogy  with  a stretched  string.  Suppose  we  have  a  tightly stretched  vertical  string  moving  uniformly,  from
 
 
54
 
 
ELECTRICITY    AND    MATTER
 
 
right  to  left,  and  that  we  suddenly  stop  one  end, A,  what  will  happen  to  the  string  ?  The  end  A will  come  to  rest  at  once,  but  the  forces  called into  play  travel  at  a  finite  rate,  and  each  part  of the  string  will  in  virtue  of  its  inertia  continue  to move  as  if  nothing  had  happened  to  the  end  A until  the  disturbance  starting  from  A  reaches  it. Thus,  if  V  is  the  velocity  with  which  a  disturb- ance travels  along  the  string,  then  when  a  time,  t, has  elapsed  after  the  stoppage  of  A,  the  parts  of the  string  at  a  greater  distance  than  Vt  from  A will  be  unaffected  by  the  stoppage,  and  will  have the  position  and  velocity  they  would  have  had if  the  string  had  continued  to  move  uniformly forward.  The  shape  of  the  string  at  successive intervals  will  be  as  shown  in  Fig.  12,  the  length  of
 
 
j
 
 
A Fio.  12.
 
 
the  horizontal  portion  increasing  as  its  distance from  the  fixed  end  increases.
 
 
RONTGEN    RAYS  AND  LIGHT  55
 
Let  us  now  return  to  the  case  of  the  moving charged  particle  which  we  shall  suppose  suddenly brought  to  rest,  the  time  occupied  by  the  stoppage being  T.  To  find  the  configuration  of  the  Faraday tubes  after  a  time  t  has  elapsed  since  the  beginning of  the  process  of  bringing  the  charged  particle  to rest,  describe  with  the  charged  particle  as  centre two  spheres,  one  having  the  radius  Vt,  the  other the  radius  V(t  —  T),  then,  since  no  disturbance  can have  reached  the  Faraday  tubes  situated  outside the  outer  sphere,  these  tubes  will  be  in  the  posi- tion they  would  have  occupied  if  they  had  moved forward  with  the  velocity  they  possessed  at  the moment  the  particle  was  stopped,  while  inside  the inner  sphere,  since  the  disturbance  has  passed over  the  tubes,  they  will  be  in  their  final  positions. Thus,  consider  a  tube  which,  when  the  particle was  stopped  was  along  the  line  OPQ  (Fig.  13) ; this  will  be  the  final  position  of  the  tube ;  hence  at the  time  t  the  portion  of  this  tube  inside  the  inner sphere  will  occupy  the  position  OP,  while  the portion  P'Q'  outside  the  outer  sphere  will  be  in  the position  it  would  have  occupied  if  the  particle  had not  been  reduced  to  rest,  i.e.,  if  O '  is  the  position the  particle  would  have  occupied  if  it  had  not been  stopped,  P'Q'  will  be  a  straight  line  pass-
 
 
gg  ELECTRICITY    AND    MATTER
 
ing  through  0 '.  Thus,  to  preserve  its  continuity the  tube  must  bend  round  in  the  shell  between  the two  spheres,  and  thus  be  distorted  into  the  shape OPP'Q'.  Thus,  the  tube  which  before  the  stop-
 
 
FIG.  13.
 
page  of  the  particle  was  radial,  has  now  in  the shell  a  tangential  component,  and  this  tangential component  implies  a  tangential  electric  force. The  stoppage  of  the  particle  thus  produces  a radical  change  in  the  electric  field  due  to  the  par- ticle, and  gives  rise,  as  the  following  calculation will  show,  to  electric  and  magnetic  forces  much greater  than  those  existing  in  the  field  when  the particle  was  moving  steadily.
 
If  we  suppose  that  the  thickness  8  of  the  shell is  so  small  that  the  portion  of  the  Faraday  tube inside  it  may  be  regarded  as  straight,  then  if  T  is
 
 
RONTGEN    RAYS  AND  LIGHT  57
 
the  tangential  electric  force  inside  the  pulse,  R the  radial  force,  we  have
 
T      P'R      00'  sin  0      v  t  sin  0
 
 
Where  v  is  the  velocity  with  which  the  particle was  moving  before  it  was  stopped,  d  the  angle OP  makes  with  the  direction  of  motion  of  the particle,  t  the  time  which  has  elapsed  since  the  par-
 
ticle was  stopped  ;  since  R  =  -y™  and  0  P  =Vt where  Fis  the  velocity  of  light,  we  have,  if  r  =  OP,
 
/TT    ev  sin  0  f  .
 
=  TTS~-
 
The  tangential  Faraday  tubes  moving  forward with  the  velocity  Fwill  produce  at  P  a  magnetic force  If  equal  to  V  T,  this  force  will  be  at  right angles  to  the  plane  of  the  paper  and  in  the opposite  direction  to  the  magnetic  force  existing at  P  before  the  stoppage  of  the  particle  ;  since  its magnitude  is  given  by  the  equation,
 
„    evsinO
 
•"•  —  ---  ^  —  > ro
 
.  .    f        ev  sin  0        .      , it  exceeds  the  magnetic  force  —  -z  —  previously
 
existing  in  the  proportion  of  r  to  S.    Thus,  the
 
 
gg  ELECTRICITY    AND    MATTER
 
pulse  produced  by  the  stoppage  of  the  particle  is the  seat  of  intense  electric  and  magnetic  forces which  diminish  inversely  as  the  distance  from  the charged  particle,  whereas  the  forces  before  the particle  was  stopped  diminished  inversely  as  the square  of  the  distance ;  this  pulse  travelling  out- ward with  the  velocity  of  light  constitutes  in  my opinion  the  Rontgen  rays  which  are  produced when  the  negatively  electrified  particles  which form  the  cathode  rays  are  suddenly  stopped  by striking  against  a  solid  obstacle.
 
The  energy  in  the  pulse  can  easily  be  shown
 
to  be  equal  to
 
2  ^V
 
3  8  '
 
this  energy  is  radiated  outward  into  space. The  amount  of  energy  thus  radiated  depends upon  S,  the  thickness  of  the  pulse,  i.e.,  upon the  abruptness  with  which  the  particle  is stopped;  if  the  particle  is  stopped  instantaneously the  whole  energy  in  the  field  will  be  absorbed  in the  pulse  and  radiated  away,  if  it  is  stopped  grad- ually only  a  fraction  of  the  energy  will  be  radiated into  space,  the  remainder  will  appear  as  heat  at the  place  where  the  cathode  rays  were  stopped. It  is  easy  to  show  that  the  momentum  in  the
 
 
RONTGEN  RAYS  AND  LIGHT  59
 
pulse  at  any  instant  is  equal  and  opposite  to  the momentum  in  the  field  outside  the  pulse ;  as  there is  no  momentum  in  the  space  through  which  the pulse  has  passed,  the  whole  momentum  in  the  field after  the  particle  is  stopped  is  zero.
 
The  preceding  investigation  only  applies  to  the case  when  the  particle  was  moving  so  slowly  that the  Faraday  tubes  before  the  stoppage  of  the pulse  were  uniformly  distributed;  the  same principles,  however,  will  give  us  the  effect  of stopping  a  charged  particle  whenever  the  dis- tribution of  the  Faraday  tubes  in  the  state  of steady  motion  has  been  determined.
 
Let  us  take,  for  example,  the  case  when  the particle  was  initially  moving  with  the  velocity  of light;  the  rule  stated  on  page  43  shows  that before  the  stoppage  the  Faraday  tubes  were all  congregated  in  the  equatorial  plane  of  the moving  particle.  To  find  the  configuration  of the  Faraday  tubes  after  a  time  t  we  proceed  as before  by  finding  the  configuration  at  that  time of  the  tubes,  if  the  particle  had  not  been  stopped. The  tubes  would  in  that  case  have  been  in  a  plane at  a  distance  Vt  in  front  of  the  particle.  Draw two  spheres  having  their  centres  at  the  particle  and having  radii  respectively  equal  to  Vt  and  V  (t— T),
 
 
60
 
 
ELECTRICITY    AND    MATTER
 
 
where  r  is  the  time  occupied  in  stopping  the particle;  outside  the  outer  sphere  the  configura- tion of  the  tubes  will  be  the  same  as  if  the  par- ticle had  not  been  stopped,  i.  e.,  the  tubes  will  be the  plane  at  the  distance  Vt  in  front  of  the  par- ticle, and  this  plane  will  touch  the  outer  sphere. Inside  the  inner  sphere  the  Faraday  tubes  will  be uniformly  distributed,  hence  to  preserve  continuity these  tubes  must  run  round  in  the  shell  to  join  the sphere  as  in  Fig.  14.  We  thus  have  in  this  case
 
two  pulses,  one  a plane  pulse  propa- gated in  the  direc- tion in  which  the particle  was  mov- ing before  it  was stopped,  the  other  a •X  spherical  pulse  trav- elling outward  in  all directions.
 
The  preceding method  can  be  ap- plied to  the  case when  the  charged  particle,  instead  of  being stopped,  has  its  velocity  altered  in  any  way ;  thus, if  the  velocity  v  of  the  particle  instead  of  being
 
 
PIG.  14.
 
 
RONTGEN    RAYS  AND  LIGHT  51
 
reduced  to  zero  is  merely  diminished  by  A  v,  we can  show,  as  on  page  57,  that  it  will  give  rise  to a  pulse  in  which  the  magnetic  force  If  is  given  by the  equation
 
e&v  sin  0
 
 
and  the  tangential  electric  force  T  by
 
~_  e  .  A  v  sin  0
 
Now  the  thickness  8  of  the  pulse  is  the  space passed  over  by  a  wave  of  light  during  the  time  the velocity  of  the  particle  is  changing,  hence  if  8  1 is  the  time  required  to  produce  the  change  A  v  in the  velocity  8  =  F8  1,  hence  we  have
 
TT_    e  Av  sin  0          T  _    e    Av  sin  0
 
''  VTt~  ~~  T*  87  ~T~  ;
 
At* but  g7  is  equal  to  —/,  where  /is  the  acceleration
 
of  the  particle,  hence  we  have
 
„._        e    j  sin  0          T_        e    ^sin  0 •          —  ~
 
 
These  equations  show  that  a  charged  particle whose  motion  is  being  accelerated  produces  a  pulse of  electric  and  magnetic  forces  in  which  the  forces vary  inversely  as  the  distance  from  the  particle.
 
Thus,  if  a  charged  body  were  made  to  vibrate  in
 
 
g2  ELECTRICITY    AND    MATTER
 
such  a  way  that  its  acceleration  went  through periodic  changes,  periodic  waves  of  electric  and magnetic  force  would  travel  out  from  the  charged body.  These  waves  would,  on  the  Electromag- netic Theory  of  Light,  be  light  waves,  provided the  periodic  changes  in  the  acceleration  of  the charged  body  took  place  with  sufficient  rapidity. The  method  we  have  been  investigating,  in  which we  consider  the  effect  produced  on  the  configura- tion of  the  Faraday  tubes  by  changes  in  the  mo- tion of  the  body,  affords  a  very  simple  way  of picturing  to  ourselves  the  processes  going  on  dur- ing the  propagation  of  a  wave  of  light  through the  ether.  We  have  regarded  these  as  arising from  the  propagation  of  transverse  tremors  along the  tightly  stretched  Faraday  tubes;  in  fact,  we are  led  to  take  the  same  view  of  the  propagation of  light  as  the  following  extracts  from  the  paper, "Thoughts  on  Kay  Vibrations,"  show  to  have been  taken  by  Faraday  himself.  Faraday  says, "  The  view  which  I  am  so  bold  to  put  forward considers  therefore  radiations  as  a  high  species  of vibration  in  the  lines  of  force  which  are  known to  connect  particles  and  also  masses  together."
 
This  view  of  light  as  due  to  the  tremors  in tightly  stretched  Faraday  tubes  raises  a  question
 
 
RONTGEN  RAYS  AND  LIGHT  63
 
which  I  have  not  seen  noticed.  The  Faraday tubes  stretching  through  the  ether  cannot  be regarded  as  entirely  filling  it.  They  are  rather to  be  looked  upon  as  discrete  threads  embedded in  a  continuous  ether,  giving  to  the  latter  a  fibrous structure ;  but  if  this  is  the  case,  then  on  the  view we  have  taken  of  a  wave  of  light  the  wave  it- self must  have  a  structure,  and  the  front  of  the wave,  instead  of  being,  as  it  were,  uniformly  illu- minated, will  be  represented  by  a  series  of  bright specks  on  a  dark  ground,  the  bright  specks  cor- responding to  the  places  where  the  Faraday  tubes cut  the  wave  front.
 
Such  a  view  of  the  constitution  of  a  light  wave would  explain  a  phenomenon  which  has  always struck  me  as  being  very  remarkable  and  difficult to  reconcile  with  the  view  that  a  light  wave,  or rather  in  this  case  a  Rbntgen  ray,  does  not  possess a  structure.  We  have  seen  that  the  method  of propagation  and  constitution  of  a  Rontgen  ray is  the  same  as  in  a  light  wave,  so  that  any general  consideration  about  structure  in  Ront- gen rays  will  apply  also  to  light  waves.  The phenomenon  in  question  is  this:  Rontgen  rays are  able  to  pass  very  long  distances  through gases,  and  as  they  pass  through  the  gas  they
 
 
64  ELECTRICITY  AND  MATTER
 
ionize  it,  splitting  up  the  molecules  into  posi- tive and  negative  ions ;  the  number  of  molecules so  split  up  is,  however,  an  exceedingly  small  frac- tion, less  than  one-billionth,  even  for  strong  rays,  of the  number  of  molecules  in  the  gas.  Now,  if  the conditions  in  the  front  of  the  wave  are  uniform,  all the  molecules  of  the  gas  are  exposed  to  the  same conditions ;  how  is  it  then  that  so  small  a  propor- tion of  them  are  split  up  ?  It  might  be  argued  that those  split  up  are  in  some  special  condition — that they  possess,  for  example,  an  amount  of  kinetic energy  so  much  exceeding  the  average  kinetic energy  of  the  molecules  of  the  gas  that,  in  accord- ance with  Maxwell's  Law  of  Distribution  of Kinetic  energy,  their  number  would  be  exceedingly small  in  comparison  with  the  whole  number  of molecules  of  the  gas ;  but  if  this  were  the  case  the same  law  of  distribution  shows  that  the  number in  this  abnormal  condition  would  increase  very rapidly  with  the  temperature,  so  that  the  ioniza- tion  produced  by  the  Rontgen  rays  ought  to  in- crease very  rapidly  as  the  temperature  increases. Recent  experiments  made  by  Mr.  McClung  in  the Cavendish  Laboratory  show  that  no  appreciable increase  in  the  ionization  is  produced  by  raising the  temperature  of  a  gas  from  15°C,  to  200°  C.,
 
 
RONTGEN  RAYS  AND    LIGHT  55
 
whereas  the  number  of  molecules  possessing  an abnormal  amount  of  kinetic  energy  would  be enormously  increased  by  this  rise  in  temperature. The  difficulty  in  explaining  the  small  ionization  is removed  if,  instead  of  supposing  the  front  of  the Rontgen  ray  to  be  uniform,  we  suppose  that  it  con- sists of  specks  of  great  intensity  separated  by considerable  intervals  where  the  intensity  is  very small,  for  in  this  case  all  the  molecules  in  the  field, and  probably  even  different  parts  of  the  same molecule,  are  not  exposed  to  the  same  conditions, and  the  case  becomes  analogous  to  a  swarm  of cathode  rays  passing  through  the  gas,  in  which case  the  number  of  molecules  which  get  into  col- lision with  the  rays  may  be  a  very  small  fraction of  the  whole  number  of  molecules.
 
To  return,  however,  to  the  case  of  the  charged particle  whose  motion  is  accelerated,  we  have seen  that  from  the  particle  electric  and  magnetic forces  start  and  travel  out  radially  with  the  ve- locity of  light,  both  the  radial  and  magnetic  forces being  at  right,  angles  to  the  direction  in  which they  are  travelling ;  but  since  (see  page  25) each  unit  volume  of  the  electro-magnetic  field  has an  amount  of  momentum  equal  to  the  product  of the  density  of  the  Faraday  tube  and  the  magnetic
 
 
gg  ELECTRICITY    AND    MATTER
 
force,  the  direction  of  the  momentum  being  at right  angles  to  both  these  quantities,  there  will  be the  wave  due  to  the  acceleration  of  the  charged particle,  and  indeed  in  any  electric  or  light  wave momentum  in  the  direction  of  propagation  of  the wave.  Thus,  if  any  such  wave,  for  example  a wave  of  light,  is  absorbed  by  the  substance  through which  it  is  passing,  the  momentum  in  the  wave will  be  communicated  to  the  absorbing  substance, which  will,  therefore,  experience  a  force  tending  to push  it  in  the  direction  the  light  is  travelling. Thus,  when  light  falls  normally  on  a  blackened  ab- sorbing substance,  it  will  repel  that  substance. This  repulsion  resulting  from  radiation  was  shown by  Maxwell  to  be  a  consequence  of  the  Electro- magnetic Theory  of  Light ;  it  has  lately  been  de- tected and  measured  by  Lebedew  by  some  most beautiful  experiments,  which  have  been  confirmed and  extended  by  Nichols  and  Hull.
 
The  pressure  experienced  by  the  absorbing  sub- stance will  be  proportional  to  its  area,  while  the weight  of  the  substance  is  proportional  to  its  vol- ume. Thus,  if  we  halve  the  linear  dimensions  we reduce  the  weight  to  one-eighth  while  we  only  re- duce the  pressure  of  radiation  to  one-quarter ;  thus, by  sufficiently  reducing  the  size  of  the  absorbing
 
 
RONTGEN  RAYS  AND    LIGHT  67
 
body  we  must  arrive  at  a  stage  when  the  forces due  to  radiation  exceed  those  which,  like  weight, are  proportional  to  the  volume  of  the  substance. On  this  principle,  knowing  the  intensity  of  the radiation  from  the  sun,  Arrhenius  has  shown  that for  an  opaque  sphere  of  unit  density  lO"6  cm.  in diameter  the  repulsion  due  to  the  radiation  from the  sun  would  just  balance  the  sun's  attraction, while  all  bodies  smaller  than  this  would  be  re- pelled from  the  sun,  and  he  has  applied  this  prin- ciple to  explain  the  phenomena  connected  with the  tails  of  comets.  Poynting-has  recently  shown that  if  two  spheres  of  unit  density  about  39  cm. in  diameter  are  at  the  temperature  of  27°  C.  and protected  from  all  external  radiation,  the  re- pulsion due  to  the  radiation  emitted  from  the spheres  will  overpower  their  gravitational  at- traction so  that  the  spheres  will  repel  each other.
 
Again,  when  light  is  refracted  and  reflected at  a  transparent  surface,  the  course  of  the  light and  therefore  the  direction  of  momentum  is changed,  so  that  the  refracting  substance  must have  momentum  communicated  to  it.  It  is  easy to  show  that  even  when  the  incidence  of  the  light is  oblique  the  momentum  communicated  to  the
 
 
gg  ELECTRICITY    AND    MATTER
 
substance  is  normal  to  the  refracting  surface. There  are  many  interesting  problems  connected with  the  forces  experienced  by  refracting  prisms when  light  is  passing  through  them  which  will suggest  themselves  to  you  if  you  consider  the changes  in  momentum  experienced  by  the  light wave  in  its  course  through  the  prism.  Tangential forces  due  to  light  have  not,  so  far  as  I  know, been  detected  experimentally.  These,  however, must  exist  in  certain  cases  ;  such,  for  example,  as when  light  incident  obliquely  is  imperfectly  re- flected from  a  metallic  surface.
 
The  waves  of  electric  and  magnetic  force  which radiate  from  an  accelerated  charge  particle  cany energy  with  them.  This  energy  is  radiated  into space,  so  that  the  particle  is  constantly  losing  en- ergy. The  rate  at  which  energy  is  radiating  from
 
 
the  particle  can  easily  be  shown  to  be  o  —  •    where
 
e  is  the  charge  on  the  particle,/  its  acceleration, and  V  the  velocity  of  light.  If  we  take  into  ac- count this  loss  of  energy  by  the  particle  when  its motion  is  being  accelerated,  we  find  some  interest- ing results.  Thus,  for  example,  if  a  particle  of mass  m  and  charge  e  starting  from  rest  is  acted upon  by  a  constant  electric  force,  JT,  the  particle
 
 
RONTGEN    RAYS  AND  LIGHT  69
 
does  not  at  once  attain  the  acceleration  — e-  as  it
 
m
 
would  if  there  were  no  loss  of  energy  by  radia- tion ;  on  the  contrary,  the  acceleration  of  the  parti- cle is  initially  zero,  and  it  is  not  until  after  the
 
 
lapse  of  a  time  comparable  with  -^ —  that  the
 
 
particle  acquires  even  an  appreciable  fraction  of its  final  acceleration.  Thus,  the  rate  at  which  the
 
e9 particle  loses  energy  is  during  the  time  -y —  very
 
small  compared  with  the  ultimate  rate.  Thus,  if the  particle  were  acted  on  by  a  wave  of  electric
 
e* force  which  only  took  a  time  comparable  with  -y —
 
to  pass  over  the  particle,  the  amount  of  energy  ra- diated by  the  particle  would  be  a  very  much  smaller fraction  of  the  energy  in  the  wave  than  it  would  be if  the  particle  took  a  time  equal  to  a  considerable
 
e* multiple  of  77^  to  pass  over  the  particle.  This  has
 
an  important  application  in  explaining  the  greater penetrating  power  of  "  hard  "  Rontgen  rays  than of  "  soft "  ones.  The  "  hard  "  rays  correspond  to thin  pulses,  the  "  soft "  ones  to  thick  ones ;  so  that a  smaller  proportion  of  the  energy  in  the  "  hard  " rays  will  be  radiated  away  by  the  charged  particles
 
 
70  ELECTRICITY    AND    MATTER
 
over  which  they  pass  than  in  the  case  of  the  "  soft " rays.
 
By  applying  the  law  that  the  rate  at  which  en-
 
1*V2 ergy  is  radiating  is  equal  to  ^  -y^-  to  the  case  of
 
a  charged  particle  revolving  in  a  circular  orbit  un- der an  attractive  force  varying  inversely  as  the square  of  the  distance,  we  find  that  in  this  case the  rate  of  radiation  is  proportional  to  the  eighth power  of  the  velocity,  or  to  the  fourth  power  of the  energy.  Thus,  the  rate  of  loss  of  energy  by radiation  increases  very  much  more  rapidly  than the  energy  of  the  moving  body.
 
 
==CHAPTER  IV==
 
THE    ATOMIC    STRUCTURE    OF    ELECTRICITY
 
HITHERTO  we  have  been  dealing  chiefly  with  the properties  of  the  lines  of  force,  with  their  ten- sion, the  mass  of  ether  they  carry  along  with  them, and  with  the  propagation  of  electric  disturbances along  them ;  in  this  chapter  we  shall  discuss  the nature  of  the  charges  of  electricity  which  form  the beginnings  and  ends  of  these  lines.  We  shall  show that  there  are  strong  reasons  for  supposing  that these  changes  have  what  may  be  called  an  atomic structure ;  any  charge  being  built  up  of  a  number of  finite  individual  charges,  all  equal  to  each  other : just  as  on  the  atomic  theory  of  matter  a  quantity of  hydrogen  is  built  up  of  a  number  of  small  par- ticles called  atoms,  all  the  atoms  being  equal  to each  other.  If  this  view  of  the  structure  of  elec- tricity is  correct,  each  extremity  of  a  Faraday  tube will  be  the  place  from  which  a  constant  fixed  num- ber of  tubes  start  or  at  which  they  arrive.
 
Let  us  first  consider  the  evidence  given  by  the laws  of  the  electrolysis  of  liquids.  Faraday
 
 
y2  ELECTRICITY    AND  MATTER
 
showed  that  when  electricity  passes  through  a liquid  electrolyte,  the  amount  of  negative  electric- ity given  up  to  the  positive  electrode,  and  of  posi- tive electricity  given  to  the  negative  electrode,  is proportional  to  the  number  of  atoms  coming  up to  the  electrode.  Let  us  first  consider  monovalent elements,  such  as  hydrogen,  chlorine,  sodium,  and so  on ;  he  showed  that  when  the  same  number  of atoms  of  these  substances  deliver  up  their charges  to  the  electrode,  the  quantity  of  electricity communicated  is  the  same  whether  the  carriers are  atoms  of  hydrogen,  chlorine,  or  sodium,  in- dicating that  each  atom  of  these  elements  carries the  same  charge  of  electricity.  Let  us  now  go  to the  divalent  elements.  We  find  again  that  the  ions of  all  divalent  elements  carry  the  same  charge, but  that  a  number  of  ions  of  the  divalent  ele- ment carry  twice  the  charge  carried  by  the  same number  of  ions  of  a  univalent  element,  showing that  each  ion  of  a  divalent  element  carries  twice as  much  charge  as  the  univalent  ion ;  again,  a  tri- valent  ion  carries  three  times  the  charge  of  a  uni- valent ion,  and  so  on.  Thus,  in  the  case  of  the  elec- trolysis of  solutions  the  charges  carried  by  the ions  are  either  the  charge  on  the  hydrogen  ion  or twice  that  charge,  or  three  times  the  charge,  and
 
 
THE  ATOMIC    STRUCTURE  OF  ELECTRICITY        73
 
so  on.  The  charges  we  meet  with  are  always  an integral  multiple  of  the  charge  carried  by  the  hy- drogen atom  ;  we  never  meet  with  fractional  parts of  this  charge.  This  very  remarkable  fact  shows, as  Helmholtz  said  in  the  Faraday  lecture,  that "  if  we  accept  the  hypothesis  that  the  elementary substances  are  composed  of  atoms,  we  cannot  avoid the  conclusion  that  electricity,  positive  as  well  as negative,  is  divided  into  definite  elementary  por- tions which  behave  like  atoms  of  electricity."
 
When  we  consider  the  conduction  of  electricity through  gases,  the  evidence  in  favor  of  the  atomic character  of  electricity  is  even  stronger  than  it  is in  the  case  of  conduction  through  liquids,  chiefly because  we  know  more  about  the  passage  of  elec- tricity through  gases  than  through  liquids.
 
Let  us  consider  for  a  moment  a  few  of  the  prop- erties of  gaseous  conduction.  When  a  gas  has been  put  into  the  conducting  state — say,  by  expos- ure to  Rontgen  rays — it  remains  in  this  state  for a  sufficiently  long  time  after  the  rays  have  ceased to  enable  us  to  study  its  properties.  We  find  that we  can  filter  the  conductivity  out  of  the  gas  by sending  the  gas  through  a  plug  of  cotton- wool,  or through  a  water-trap.  Thus,  the  conductivity  is due  to  something  mixed  with  the  gas  which  can
 
 
74  ELECTRICITY  AND  MATTER
 
be  filtered  out  of  it;  again,  the  conductivity  is taken  out  of  the  gas  when  it  is  sent  through  a strong  electric  field.  This  result  shows  that  the constituent  to  which  the  conductivity  of  the  gas  is due  consists  of  charged  particles,  the  conductivity arising  from  the  motion  of  these  particles  in  the electric  field.  We  have  at  the  Cavendish  Labora- tory measured  the  charge  of  electricity  carried  by those  particles.
 
The  principle  of  the  method  first  used  is  as  fol- lows. If  at  any  time  there  are  in  the  gas  n  of  these particles  charged  positively  and  n  charged  nega- tively, and  if  each  of  these  carries  an  electric  charge e,  we  can  easily  by  electrical  methods  determine  n  e, the  quantity  of  electricity  of  our  sign  present  in the  gas.  One  method  by  which  this  can  be  done is  to  enclose  the  gas  between  two  parallel  metal plates,  one  of  which  is  insulated.  Now  suppose  we suddenly  charge  up  the  other  plate  positively  to  a very  high  potential,  this  plate  will  now  repel  the positive  particles  in  the  gas,  and  these  before  they have  time  to  combine  with  the  negative  particles will  be  driven  against  the  insulated  plate.  Thus, all  the  positive  charge  in  the  gas  will  be  driven against  the  insulated  plate,  where  it  can  be  meas- ured by  an  electrometer.  As  this  charge  is  equal
 
 
THE  ATOMIC  STRUCTURE  OF  ELECTRICITY  75
 
to  n  e  we  can  in  this  way  easily  determine  n  e :  if then  we  can  devise  a  means  of  measuring  n  we shall  be  able  to  find  e.  The  method  by  which  I determined  n  was  founded  on  the  discovery  by C.  T.  E.  Wilson  that  the  charged  particles  act  as nuclei  round  which  small  drops  of  water  condense, when  the  particles  are  surrounded  by  damp  air cooled  below  the  saturation  point.  In  dust-free air,  as  Aitken  showed,  it  is  very  difficult  to  get  a fog  when  damp  air  is  cooled,  since  there  are  no nuclei  for  the  drops  to  condense  around ;  if  there are  charged  particles  in  the  dust-free  air,  however, a  fog  will  be  deposited  round  these  by  a  supersat- uration  far  less  than  that  required  to  produce  any appreciable  effect  when  no  charged  particles  are present.
 
Thus,  in  sufficiently  supersaturated  damp  air  a cloud  is  deposited  on  these  charged  particles, and  they  are  thus  rendered  visible.  This  is  the first  step  toward  counting  them.  The  drops  are, however,  far  too  small  and  too  numerous  to  be counted  directly.  We  can,  however,  get  their number  indirectly  as  follows :  suppose  we  have  a number  of  these  particles  in  dust-free  air  in  a closed  vessel,  the  air  being  saturated  with  water vapor,  suppose  now  that  we  produce  a  sudden
 
 
76  ELECTRICITY  AND  MATTER
 
expansion  of  the  air  in  the  vessel;  this  will  cool the  air,  it  will  be  supersaturated  with  vapor,  and drops  will  be  deposited  round  the  charged  parti- cles. Now  if  we  know  the  amount  of  expansion produced  we  can  calculate  the  cooling  of  the  gas, and  therefore  the  amount  of  water  deposited. Thus,  we  know  the  volume  of  water  in  the  form  of drops,  so  that  if  we  know  the  volume  of  one  drop we  can  deduce  the  number  of  drops.  To  find  the size  of  a  drop  we  make  use  of  an  investigation by  Sir  George  Stokes  on  the  rate  at  which  small spheres  fall  through  the  air.  In  consequence  of the  viscosity  of  the  air  small  bodies  fall  exceedingly slowly,  and  the  smaller  they  are  the  slower  they fall.  Stokes  showed  that  if  a  is  the  radius  of  a drop  of  water,  the  velocity  v  with  which  it  falls through  the  air  is  given  by  the  equation
 
 
when  g  is  the  acceleration  due  to  gravity  =  981 and  p.  the  coefficient  of  viscosity  of  air  =  .00018; thus
 
v  =  1.21  X  106a2;
 
hence  if  we  can  determine  v  we  can  determine the  radius  and  hence  the  volume  of  the  drop.
 
 
THE  ATOMIC  STRUCTURE  OF  ELECTRICITY  77
 
But  v  is  evidently  the  velocity  with  which  the cloud  round  the  charged  particle  settles  down,  and can  easily  be  measured  by  observing  the  move- ment of  the  top  of  the  cloud.  In  this  way  I found  the  volume  of  the  drops,  and  thence  n  the number  of  particles.  As  n  e  had  been  determined by  electrical  measurements,  the  value  of  e  could be  deduced  when  n  was  known ;  in  this  way  I found  that  its  value  is
 
3.4  X  10-10  Electrostatic  C.  G.  S.  units.
 
Experiments  were  made  with  air,  hydrogen, and  carbonic  acid,  and  it  was  found  that  the ions  had  the  same  charge  in  all  these  gases;  a strong  argument  in  favor  of  the  atomic  character of  electricity.
 
We  can  compare  the  charge  on  the  gaseous  ion with  that  carried  by  the  hydrogen  ion  in  the  elec- trolysis of  solutions  in  the  following  way:  We know  that  the  passage  of  one  electro-magnetic unit  of  electric  charge,  or  3  X  1010  electrostatic units,  through  acidulated  water  liberates  1.23  c.c. of  hydrogen  at  the  temperature  15°C.  and  pressure of  one  atmosphere ;  if  there  are  N  molecules  in  a c.c.  of  a  gas  at  this  temperature  and  pressure  the number  of  hydrogen  ions  in  1.23  c.c.  is  2.46  N,
 
 
7g  ELECTRICITY  AND  MATTER
 
so  that  if  E  is  the  charge  on  the  hydrogen  ion  in the  electrolyis  of  solution,
 
2.46  NE=  3X  1010, or    E=  1.22  X  1010-f-JV:
 
Now,  e,  the  charge  on  the  gas  ion  is  3.4  X10"10, hence  if  ^Y=3.6X1019  the  charge  on  the  gaseous ion  will  equal  the  charge  on  the  electrolytic  ion. Now,  in  the  kinetic  theory  of  gases  methods  are investigated  for  determining  this  quantity  N,  or Avogadro's  Constant,  as  it  is  sometimes  called ;  the values  obtained  by  this  theory  vary  somewhat with  the  assumptions  made  as  to  the  nature  of the  molecule  and  the  nature  of  the  forces  which  one molecule  exerts  on  another  in  its  near  neighbor- hood. The  value  3.6 X1019  is,  however,  in  good agreement  with  some  of  the  best  of  these  deter- minations, and  hence  we  conclude  that  the  charge on  the  gaseous  ion  is  equal  to  the  charge  on  the electrolytic  ion.
 
Dr.  H.  A.  Wilson,  of  the  Cavendish  Laboratory, by  quite  a  different  method,  obtained  practically the  same  value  for  e  as  that  given  above.  His method  was  founded  on  the  discovery  by  C.  T.  R. Wilson  that  it  requires  less  supersaturation  to deposit  clouds  from  moist  air  on  negative  ions
 
 
THE  ATOMIC    STRUCTURE  OF    ELECTRICITY        79
 
than  it  does  on  positive.  Thus,  by  suitably choosing  the  supersaturation,  we  can  get  the cloud  deposited  on  the  negative  ions  alone,  so that  each  drop  in  the  cloud  is  negatively  charged ; by  observing  the  rate  at  which  the  cloud  falls  we can,  as  explained  above,  determine  the  weight  of each  drop.  Now,  suppose  we  place  above  the cloud  a  positively  electrified  plate,  the  plate  will attract  the  cloud,  and  we  can  adjust  the  charge  on the  plate  until  the  electric  attraction  just  balances the  weight  of  a  drop,  and  the  drops,  like  Mahomet's coffin,  hang  stationary  in  the  air;  if  X  is  the electric  force  then  the  electric  attraction  on  the drop  is  Xe,  when  e  is  the  charge  on  the  drop.  As X  e  is  equal  to  the  weight  of  the  drop  which  is known,  and  as  we  can  measure  X,  e  can  be  at  once determined.
 
Townsend  showed  that  the  charge  on  the gaseous  ion  is  equal  to  that  on  the  ion  of  hydrogen in  ordinary  electrolysis,  by  measuring  the  coeffi- cient of  diffusion  of  the  gaseous  ions  and  com- paring it  with  the  velocity  acquired  by  the  ion under  a  given  electric  force.  Let  us  consider  the case  of  a  volume  of  ionized  gas  between  two horizontal  planes,  and  suppose  that  as  long  as  we keep  in  any  horizontal  layer  the  number  of  ions
 
 
8Q  ELECTRICITY    AND  MATTER
 
remains  the  same,  but  that  the  number  varies  as we  pass  from  one  layer  to  another;  let  x  be  the distance  of  a  layer  from  the  lower  plane,  n the  number  of  ions  of  one  sign  in  unit  volume of  this  layer,  then  if  D  be  the  coefficient  of diffusion  of  the  ions,  the  number  of  ions  which in  one  second  pass  downward  through  unit  area
 
of  the  layer  is
 
d  n
 
»ir*'
 
so  that  the  average  velocity  of  the  particles  down- ward is
 
l)dn
 
n  dx
 
The  force  which  sets  the  ions  in  motion  is  the variation  in  the  partial  pressure  due  to  the  ions  ;  if this  pressure  is  equal  top,  the  force  acting  on  the
 
ions  in  a  unit  volume  is  T->  and  the  average  force
 
per  ion  is  -  -r— .    Now  we  can  find  the  velocity ndx
 
which  an  ion  acquires  when  acted  upon  by  a known  force  by  measuring,  as  Rutherford  and Zeleny  have  done,  the  velocities  acquired  by  the ions  in  an  electric  field.  They  showed  that  this velocity  is  proportional  to  the  force  acting  on  the ion,  so  that  if  A.  is  the  velocity  when  the  electric
 
 
THE  ATOMIC  STRUCTURE  OF  ELECTRICITY  81
 
force  is  JTand  when  the  force  acting  on  the  ion  is therefore  X  e,  the  velocity  for  unit  force  will  be
 
-==r-,  and  the  velocity  when  the  force  is  1  ^  will .A  e  n  ax
 
therefore  be
 
i  dp  ^L.
 
n  dx  Xe'
 
this  velocity  we  have  seen,  however,  to  be  equal  to D  dnf n  dx' hence  we  have
 
dP    A  --T)  dn  (l\
 
~7  -        ~Tr~  -  •*/      "7  —    •  V1/
 
dx  Xe  dx
 
Now  if  the  ions  behave  like  a  perfect  gas,  the pressure  p  bears  a  constant  ratio  to  n,  the  number of  ions  per  unit  volume.  This  ratio  is  the  same for  all  gases,  at  the  same  temperature,  so  that  if jV  is  Avogadro's  constant,  i.e.,  the  number  of  mol- ecules in  a  cubic  centimetre  of  gas  at  the  atmos- pheric pressure  P
 
p  _    n P~W
 
and  equation  (1)  gives  us PA
 
 
Thus,  by  knowing  D  and  a  we  can  find  the  value of  Ne.  In  this  way  Townsend  found  that  Ne  was
 
 
g2  ELECTRICITY  AND  MATTER
 
the  same  in  air,  hydrogen,  oxygen,  and  carbonic acid,  and  the  mean  of  his  values  was  N  e  =  1.24 X  1010.  We  have  seen  that  if  E  is  the  charge  on the  hydrogen  ion
 
NE  =  1.22  X  1010-
 
Thus,  these  experiments  show  that  e—E,  or  that the  charge  on  the  gaseous  ion  is  equal  to  the charge  carried  by  the  hydrogen  ion  in  the  elec- trolysis of  solutions.
 
The  equality  of  these  charges  has  also  been proved  in  a  very  simple  way  by  H.  A.  Wilson, who  introduced  per  second  into  a  volume  of  air at  a  very  high  temperature,  a  measured  quan- tity of  the  vapor  of  metallic  salts.  This  vapor got  ionized  and  the  mixture  of  air  and  vapor  ac- quired very  considerable  conductivity.  The  cur- rent through  the  vapor  increased  at  first  with  the electromotive  force  used  to  drive  it  through  the gas,  but  this  increase  did  not  go  on  indefinitely, for  after  the  current  had  reached  a  certain  value no  further  increase  in  the  electromotive  force  pro- duced any  change  in  the  current.  The  current,  as in  all  cases  of  conduction  through  gases,  attained a  maximum  value  called  the  "  saturation  current," which  was  not  exceeded  until  the  electric  field  ap- plied to  the  gas  approached  the  intensity  at  which
 
 
THE    ATOMIC    STRUCTURE  OF  ELECTRICITY        33
 
sparks  began  to  pass  through  the  gas.  Wilson found  that  the  saturation  current  through  the  salt vapor  was  just  equal  to  the  current  which  if  it passed  through  an  aqueous  solution  of  the  salt would  electrolyse  in  one  second  the  same  amount of  salt  as  was  fed  per  second  into  the  hot  air.
 
It  is  worth  pointing  out  that  this  result  gives us  a  method  of  determining  Avogadro's  Constant which  is  independent  of  any  hypothesis  as  to  the shape  or  size  of  molecules,  or  of  the  way  in  which they  act  upon  each  other.  If  .N"  is  this  constant,  e the  charge  on  an  ion,  then  JV  e  —  1.22  X  1010  and we  have  seen  that  e  =  3.4  X  l^10,  so  that  jV=  3.fc X  1019.
 
Thus,  whether  we  study  the  conduction  of  elec- tricity through  liquids  or  through  gases,  we  are led  to  the  conception  of  a  natural  unit  or  atom  of electricity  of  which  all  charges  are  integral  mul- tiples, just  as  the  mass  of  a  quantity  of  hydro- gen is  an  integral  multiple  of  the  mass  of  a hydrogen  atom.
 
Mass  of  the  Carriers  of  Electricity
 
We  must  now  pass  on  to  consider  the  nature of  the  systems  which  carry  the  charges,  and  in order  to  have  the  conditions  as  simple  as  possible
 
 
g4  ELECTRICITY    AND    MATTER
 
let  us  begin  with  the  case  of  a  gas  at  a  very  low pressure,  where  the  motion  of  the  particles  is  not impeded  by  collisions  with  the  molecules  of  the gas.  Let  us  suppose  that  we  have  a  particle  of mass  m,  carrying  a  charge  e,  moving  in  the  plane of  the  paper,  and  that  it  is  acted  on  by  a  uniform magnetic  field  at  right  angles  to  this  plane.  We have  seen  that  under  these  circumstances  the  par- ticle will  be  acted  upon  by  a  mechanical  force equal  to  He  v,  where  His  the  magnetic  force  and v  the  velocity  of  the  particle.  The  direction  of this  force  is  in  the  plane  of  the  paper  at  right angles  to  the  path  of  the  particle.  Since  the force  is  always  at  right  angles  to  the  direction of  motion  of  the  particle,  the  velocity  of  the  par- ticle and  therefore  the  magnitude  of  the  force  act- ing upon  it  will  not  alter,  so  that  the  path  of  the particle  will  be  that  described  by  a  body  acted upon  by  a  constant  normal  force.  It  is  easy  to  show that  this  path  is  a  circle  whose  radius  a  is  given
 
by  the  equation
 
mv  ,tv
 
 
The  velocity  v  of  the  particle  may  be  deter- mined by  the  following  method  :  Suppose  the  par- ticle is  moving  horizontally  in  the  plane  of  the
 
 
THE    ATOMIC    STRUCTURE    OF    ELECTRICITY        35
 
paper,  through  a  uniform  magnetic  field  If,  at right  angles  to  this  plane,  the  particle  will  be acted  upon  by  a  vertical  force  equal  to  H  e  v.  Now, if  in  addition  to  the  magnetic  force  we  apply  a vertical  electric  force  X,  this  will  exert  a  verti- cal mechanical  force  X  e  on  the  moving  particle. Let  us  arrange  the  direction  of  JTso  that  this  force is  in  the  opposite  direction  to  that  due  to  the  mag- net, and  adjust  the  value  of  X  until  the  two  forces are  equal.  We  can  tell  when  this  adjustment  has been  made,  since  in  this  case  the  motion  of  the particle  under  the  action  of  the  electric  and  mag- netic forces  will  be  the  same  as  when  both  these forces  are  absent.  When  the  two  forces  are  equal we  have
 
X  e  —  H  e  v,      or
 
 
Hence  if  we  have  methods  of  tracing  the  motion of  the  particle,  we  can  measure  the  radius  a  of  the circle  into  which  it  is  bent  by  a  constant  magnetic force,  and  determine  the  value  of  the  electric  force required  to  counteract  the  effect  of  the  magnetic force.  Equations  (1)  and  (2)  then  give  us  the
 
means  of  finding  both  v  and  —  •
 
 
gg  ELECTRICITY  AND  MATTER
 
Values  of  —  for  Negatively  Electrified  Particles
 
in  Gases  at  Low  Pressures
 
The  value  of  e.  has  been  determined  in  this m
 
way  for  the  negatively  electrified  particles  which form  the  cathode  rays  which  are  so  conspicuous  a part  of  the  electric  discharge  through  a  gas  at  low pressures  ;  and  also  for  the  negatively  electrified particles  emitted  by  metals,  (1)  when  exposed  to ultra-violet  light,  (2)  when  raised  to  the  tempera- ture of  incandescence.  These  experiments  have led  to  the  very  remarkable  result  that  the  value  of
 
—  is  the  same  whatever  the  nature  of  the  gas  in
 
171
 
which  the  particle  may  be  found,  or  whatever  the nature  of  the  metal  from  which  it  may  be  sup- posed to  have  proceeded.  In  fact,  in  every  case
 
p
 
in  which  the  value  of  —  has  been  determined  for m
 
negatively  electrified  particles  moving  with  veloci- ties considerably  less  than  the  velocity  of  light,  it has  been  found  to  have  the  constant  value  about 10T,  the  units  being  the  centimetre,  gram,  and second,  and  the  charge  being  measured  in  electro- magnetic units.  As  the  value  of  —  for  the  hydro-
 
 
THE  ATOMIC  STRUCTURE  OF  ELECTRICITY  37
 
gen  ion  in  the  electrolysis  of  liquids  is  only  104, and  as  we  have  seen  the  charge  on  the  gaseous ion  is  equal  to  that  on  the  hydrogen  ion  in  ordi- nary electrolysis,  we  see  that  the  mass  of  a  carrier of  the  negative  charge  must  be  only  about  one- thousandth  part  of  the  mass  of  hydrogen  atom ; the  mass  was  for  a  long  time  regarded  as  the  small- est mass  able  to  have  an  independent  existence.
 
I  have  proposed  the  name  corpuscle  for  these units  of  negative  electricity.  These  corpuscles are  the  same  however  the  electrification  may  have arisen  or  wherever  they  may  be  found.  Negative electricity,  in  a  gas  at  a  low  pressure,  has  thus  a structure  analogous  to  that  of  a  gas,  the  corpuscles taking  the  place  of  the  molecules.  The  "  negative electric  fluid,"  to  use  the  old  notation,  resembles a  gaseous  fluid  with  a  corpuscular  instead  of  a molecular  structure.
 
Carriers  of  Positive  Electrification We  can  apply  the  same  methods  to  determine
 
the  values  of  —  for  the  carriers  of  positive  electri- fy
 
fication.  This  has  been  done  by  Wien  for  the positive  electrification  found  in  certain  parts  of the  discharge  in  a  vacuum  tube,  and  I  have
 
 
CQ  ELECTRICITY  AND  MATTER
 
oo
 
measured  —  for  the  positive  electrification  given
 
off  by  a  hot  wire.  The  results  of  these  measure- ments form  a  great  contrast  to  those  for  the  nega- tive electrification,  for  —  for  the  positive  charge,
 
instead  of  having,  as  it  has  for  the  negative,  the constant  high  value  107,  is  found  never  to  have  a value  greater  than  104,  the  value  it  would  have  if the  carrier  were  the  atom  of  hydrogen.  In  many
 
cases  the  value  of  —  is  very  much  less  than  104,  in- m
 
dicating  that  in  these  cases  the  positive  charge  is carried  by  atoms  having  a  greater  mass  than  that
 
^ of  the  hydrogen  atom.  The  value  of  —  varies  with
 
the  nature  of  the  electrodes  and  with  the  gas  in the  discharge  tube,  just  as  it  would  if  the  carriers of  the  positive  charge  were  the  atoms  of  the elements  which  happened  to  be  present  when  the positive  electrification  was  produced.
 
These  results  lead  us  to  a  view  of  electrification which  has  a  striking  resemblance  to  that  of Franklin's  "One  Fluid  Theory  of  Electricity." Instead  of  taking,  as  Franklin  did,  the  electric fluid  to  be  positive  electricity  we  take  it  to  be negative.  The  "electric  fluid"  of  Franklin  cor-
 
 
TI1K    ATOMIC    STRUCTURE    OF    ELECTRICITY        §9
 
responds  to  an  assemblage  of  corpuscles,  negative electrification  being  a  collection  of  these  corpus- cles. The  transference  of  electrification  from  one place  to  another  is  effected  by  the  motion  of  cor- puscles from  the  place  where  is  a  gain  of  positive electrification  to  the  place  where  there  is  a  gain of  negative.  A  positively  electrified  body  is  one that  has  lost  some  of  its  corpuscles.  We  have seen  that  the  mass  and  charge  of  the  corpuscles have  been  determined  directly  by  experiment.  We in  fact  know  more  about  the  "  electric  fluid  "  than we  know  about  such  fluids  as  air  or  water.
 
 
==CHAPTER  V==
 
CONSTITUTION  OF  THE  ATOM
 
WE  have  seen  that  whether  we  produce  the corpuscles  by  cathode  rays,  by  ultra-violet  light,  or from  incandescent  metals,  and  whatever  may  be the  metals  or  gases  present  we  always  get  the  same kind  of  corpuscles.  Since  corpuscles  similar  in  all respects  may  be  obtained  from  very  different  agents and  materials,  and  since  the  mass  of  the  corpuscles is  less  than  that  of  any  known  atom,  we  see  that the  corpuscle  must  be  a  constituent  of  the  atom  of many  different  substances.  That  in  fact  the  atoms of  these  substances  have  something  in  common.
 
We  are  thus  confronted  with  the  idea  that  the atoms  of  the  chemical  elements  are  built  up  of  sim- pler systems ;  an  idea  which  in  various  forms  has been  advanced  by  more  than  one  chemist.  Thus Prout,  in  1815,  put  forward  the  view  that  the atoms  of  all  the  chemical  elements  are  built  up  of atoms  of  hydrogen ;  if  this  were  so  the  combining weights  of  all  the  elements  would,  on  the  assump-
 
 
CONSTITUTION  OF  THE  ATOM  91
 
tion  that  there  was  no  loss  of  weight  when  the atoms  of  hydrogen  combined  to  form  the  atom  of some  other  element,  be  integers ;  a  result  not  in  ac- cordance with  observation.  To  avoid  this  discrep- ancy Dumas  suggested  that  the  primordial  atom might  not  be  the  hydrogen  atom,  but  a  smaller atom  having  only  one-half  or  one-quarter  of  the mass  of  the  hydrogen  atom.  Further  support  was given  to  the  idea  of  the  complex  nature  of  the atom  by  the  discovery  by  Newlands  and  Mende- leeff  of  what  is  known  as  the  periodic  law,  which shows  that  there  is  a  periodicity  in  the  properties of  the  elements  when  they  are  arranged  in  the  or- der of  increasing  atomic  weights.  The  simple  rela- tions which  exist  between  the  combining  weights of  several  of  the  elements  having  similar  chemical properties,  for  example,  the  fact  that  the  combin- ing weight  of  sodium  is  the  arithmetic  mean  of those  of  lithium  and  potassium,  all  point  to  the conclusion  that  the  atoms  of  the  different  elements have  something  in  common.  Further  evidence  in the  same  direction  is  afforded  by  the  similarity  in the  structure  of  the  spectra  of  elements  in  the  same group  in  the  periodic  series,  a  similarity  which  re- cent work  on  the  existence  in  spectra  of  series  of lines  whose  frequencies  are  connected  by  definite
 
 
g2  ELECTRICITY  AND  MATTER
 
numerical  relations  has  done  much  to  emphasize and  establish ;  indeed  spectroscopic  evidence  alone has  led  Sir  Norman  Lockyer  for  a  long  time  to advocate  the  view  that  the  elements  are  really compounds  which  can  be  dissociated  when  the circumstances  are  suitable.  The  phenomenon  of radio-activity,  of  which  I  shall  have  to  speak  later, carries  the  argument  still  further,  for  there  seems good  reasons  for  believing  that  radio-activity  is due  to  changes  going  on  within  the  atoms  of  the radio-active  substances.  If  this  is  so  then  we must  face  the  problem  of  the  constitution  of  the atom,  and  see  if  we  can  imagine  a  model  which has  in  it  the  potentiality  of  explaining  the  re- markable properties  shown  by  radio-active  sub- stances. It  may  thus  not  be  superfluous  to  con- sider the  bearing  of  the  existence  of  corpuscles  on the  problem  of  the  constitution  of  the  atom ;  and although  the  model  of  the  atom  to  which  we  are led  by  these  considerations  is  very  crude  and  im- perfect, it  may  perhaps  be  of  service  by  suggesting lines  of  investigations  likely  to  furnish  us  with  fur- ther information  about  the  constitution  of  the atom.
 
 
CONSTITUTION  OF  THE    ATOM  93
 
The  Nature  of  the  Unit  from  which  the  Atoms are  Built  Up
 
Starting  from  the  hypothesis  that  the  atom is  an  aggregation  of  a  number  of  simpler  systems, let  us  consider  what  is  the  nature  of  one  of these  systems.  We  have  seen  that  the  cor- puscle, whose  mass  is  so  much  less  than  that  of  the atom,  is  a  constituent  of  the  atom,  it  is  natural  to regard  the  corpuscle  as  a  constituent  of  the  primor- dial system.  The  corpuscle,  however,  carries  a definite  charge  of  negative  electricity,  and  since with  any  charge  of  electricity  we  always  associate an  equal  charge  of  the  opposite  kind,  we  should expect  the  negative  charge  on  the  corpuscle  to  be associated  with  an  equal  charge  of  positive  electri- city. Let  us  then  take  as  our  primordial  system  an electrical  doublet,  with  a  negative  corpuscle  at  one end  and  an  equal  positive  charge  at  the  other,  the two  ends  being  connected  by  lines  of  electric  force which  we  suppose  to  have  a  material  existence. For  reasons  which  will  appear  later  on,  we  shall suppose  that  the  volume  over  which  the  positive electricity  is  spread  is  very  much  larger  than  the volume  of  the  corpuscle.  The  lines  of  force  will therefore  be  very  much  more  condensed  near  the
 
 
94
 
 
ELECTRICITY    AND    MATTER
 
 
corpuscle  than  at  any  other  part  of  the  system,  and therefore  the  quantity  of  ether  bound  by  the  lines of  force,  the  mass  of  which  we  regard  as  the  mass of  the  system,  will  be  very  much  greater  near  the corpuscle  than  elsewhere.  If,  as  we  have  sup- posed, the  size  of  the  corpuscle  is  very  small  com- pared with  the  size  of  the  volume  occupied  by  the positive  electrification,  the  mass  of  the  system  will practically  arise  from  the  mass  of  bound  ether close  to  the  corpuscle ;  thus  the  mass  of  the  sys- tem will  be  practically  independent  of  the  position of  its  positive  end,  and  will  be  very  approximately the  mass  of  the  corpuscles  if  alone  in  the  field. This  mass  (see  page  21)  is  for  each  corpuscle
 
equal  to  — ,  where  e  is  the  charge  on  the  corpuscle
 
and  a  its  radius — a,  as  we  have  seen,  being  about 10-13  cm.
 
Now  suppose  we  had  a  universe  consisting  of an  immense  number  of  these  electrical  doublets, which  we  regard  as  our  primordial  system  ;  if  these were  at  rest  their  mutual  attraction  would  draw them  together,  just  as  the  attractions  of  a  lot  of little  magnets  would  draw  them  together  if  they were  free  to  move,  and  aggregations  of  more  than one  system  would  be  formed.
 
 
CONSTITUTION  OF  THE    ATOM  95
 
If,  however,  the  individual  systems  were  orig- inally moving  with  considerable  velocities,  the  rel- ative velocity  of  two  systems,  when  they  came near  enough  to  exercise  appreciable  attraction  on each  other,  might  be  sufficient  to  carry  the  sys- tems apart  in  spite  of  their  mutual  attraction.  In this  case  the  formation  of  aggregates  would  be postponed,  until  the  kinetic  energy  of  the  units had  fallen  so  low  that  when  they  came  into collision,  the  tendency  to  separate  due  to  their relative  motion  was  not  sufficient  to  prevent  them remaining  together  under  their  mutual  attraction.
 
Let  us  consider  for  a  moment  the  way  in  which the  kinetic  energy  of  such  an  assemblage  of  units would  diminish.  We  have  seen  (p.  68)  that  when- ever the  velocity  of  a  charged  body  is  changing the  body  is  losing  energy,  since  it  generates electrical  waves  which  radiate  through  space,  car- rying energy  with  them.  Thus,  whenever  the units  come  into  collision,  i.e.,  whenever  they come  so  close  together  that  they  sensibly  acceler- ate or  retard  each  other's  motion,  energy  will  be radiated  away,  the  whole  of  which  will  not  be absorbed  by  the  surrounding  units.  There  will thus  be  a  steady  loss  of  kinetic  energy,  and  after a  time,  although  it  may  be  a  very  long  time,  the
 
 
gg  ELECTRICITY    AND    MATTER
 
kinetic  energy  will  fall  to  the  value  at  which  aggre- gation of  the  units  into  groups  of  two  will  begin ; these  will  later  on  be  followed  by  the  formation of  aggregates  containing  a  larger  number  of  units. In  considering  the  question  of  the  further  ag- gregation of  these  complex  groups,  we  must  re- member that  the  possibility  of  aggregation  will depend  not  merely  upon  the  velocity  of  the  aggre- gate as  a  whole,  i.e.,  upon  the  velocity  of  the centre  of  gravity,  but  also  upon  the  relative  ve- locities of  the  corpuscles  within  the  aggregate.
 
Let  us  picture  to  ourselves  the  aggregate  as,  like the  ^Epinus  atom  of  Lord  Kelvin,  consisting  of  a sphere  of  uniform  positive  electrification,  and  ex- erting therefore  a  radial  electric  force  proportional at  an  internal  point  to  the  distance  from  the  centre, and  that  the  very  much  smaller  negatively  electri- fied corpuscles  are  moving  about inside  it.  The  number  of  corpus- cles is  the  number  of  units  which had  gone  to  make  up  the  aggre- gate, and  the  total  negative  elec- trification on  the  corpuscles  is
 
Fio.  15
 
equal  to  the  positive  electrifica- tion on  the  sphere.  To  fix  our  ideas  let  us  take the  case  shown  in  Fig.  15  of  three  corpuscles
 
 
CONSTITUTION    OF    THE    ATOM  97
 
A,  B,  C,  arranged  within  the  sphere  at  the  corners of  an  equilateral  triangle,  the  centre  of  the  triangle coinciding  with  the  centre  of  the  sphere.  First suppose  the  corpuscles  are  at  rest ;  they  will  be  in equilibrium  when  they  are  at  such  a  distance from  the  centre  of  the  sphere  that  the  repulsion between  the  corpuscles,  which  will  evidently  be radial,  just  balances  the  radial  attraction  excited on  the  corpuscles  by  the  positive  electrification  of the  sphere.  A  simple  calculation  shows  that  this will  be  the  case  when  the  distance  of  the  corpuscle from  the  centre  is  equal  to  .57  times  the  radius  of the  sphere.  Next  suppose  that  the  corpuscles,  in- stead of  being  at  rest,  are  describing  circular  orbits round  the  centre  of  the  sphere.  Their  centrifugal force  will  carry  them  farther  away  from  the  centre by  an  amount  depending  upon  the  speed  with which  they  are  rotating  in  their  orbits.  As  we increase  this  speed  the  distance  of  the  corpuscles from  the  centre  of  the  sphere  will  increase  until at  a  certain  speed  the  corpuscles  will  reach  the surface  of  the  sphere ;  further  increases  in  speed will  cause  them  first  to  rotate  outside  the  sphere and  finally  leave  the  sphere  altogether,  when  the atom  will  break  up.
 
In  this  way  we  see  that  the  constitution  of  the
 
 
QO  ELECTRICITY    AND    MATTER
 
t7O
 
aggregate  will  not  be  permanent,  if  the  kinetic energy  due  to  the  velocity  of  the  corpuscles  inside the  sphere  relative  to  the  centre  of  the  sphere  ex- ceeds a  certain  value.  We  shall,  for  the  sake  of brevity,  speak  of  this  kinetic  energy  of  the  cor- puscles within  the  atom  as  the  corpUBfatfar  tem- perature of  the  atom,  and  we  may  express  the preceding  result  by  saying  that  the  atom  will  not be  stable  unless  its  corpuscular  temperature  is below  a  certain  value.
 
We  must  be  careful  to  distinguish  between  cor- puscular temperature,  which  is  the  mean  kinetic energy  of  the  corpuscles  inside  the  atom,  and  the molecular  temperature,  which  is  the  mean  kinetic energy  due  to  the  motion  of  the  centre  of  gravity of  the  atom.  These  temperatures  are  probably  not in  any  very  close  relationship  with  each  other. They  would  be  proportional  to  each  other  if  the  law known  as  the  law  of  equipartition  of  energy  among the  various  degrees  of  freedom  of  the  atom  were  to apply.  This  law  is,  however,  inconsistent  with  the physical  properties  of  gases,  and  in  the  proof  given of  it  in  the  kinetic  theory  of  gases,  no  estimate  is given  of  the  time  required  to  establish  the  state  con- templated by  the  law ;  it  may  be  that  this  time  is  so long  that  gases  are  never  able  to  get  into  this  state.
 
 
CONSTITUTION    OF    THE    ATOM  99
 
Let  us  now  take  the  case  of  two  aggregations, A  and  £,  whose  corpuscular  temperatures  are  high, though  not  so  high,  of  course,  as  to  make  A  and  B unstable  when  apart,  and  suppose,  in  order  to  give them  the  best  possible  chance  of  combining,  that the  centres  of  gravity  of  A  and  B  when  quite close  to  each  other  are  at  rest,  will  A  and  B unite  to  form  a  more  complex  aggregate  as  they would  if  the  corpuscles  in  them  were  at  rest  ?  We can  easily,  I  think,  see  that  they  will  not  necessa- rily do  so.  For  as  A  and  B  approach  each  other, under  their  mutual  attractions,  the  potential  en- ergy due  to  the  separation  of  A  and  B  will  dimin- ish and  their  kinetic  energy  will  increase.  This  in- crease in  the  kinetic  energy  of  the  corpuscles  in  A and  B  will  increase  the  tendency  of  the  corpuscles to  leave  their  atoms,  and  if  the  increase  in  the  kin- etic energy  is  considerable  A  and  B  may  each  lose one  or  more  corpuscles.  The  departure  of  a  cor- puscle will  leave  A  and  B  positively  charged, and  they  will  tend  to  separate  under  the  repulsion of  these  charges.  When  separated  they  will  have each  a  positive  charge ;  but  as  there  are  now  free corpuscles  with  negative  charges  moving  about  in the  region  in  which  A  and  B  are  situated,  these positive  charges  will  ultimately  be  neutralized  by
 
 
100  ELECTRICITY    AND  MATTER
 
corpuscles  striking  against  A  and  B  and  remain- ing in  combination  with  them.
 
We  thus  conclude  that  unless  the  corpuscular temperature  after  union  is  less  than  a  certain  limit- ing value,  the  union  cannot  be  permanent,  the complex  formed  being  unstable,  and  incapable  of a  permanent  existence.  Now,  the  corpuscular temperature  of  the  aggregate  formed  by  A  and  B will  depend  upon  the  corpuscular  temperatures  of A  and  B  before  union,  and  also  upon  the  diminu- tion in  the  potential  energy  of  the  system  occa- sioned by  the  union  of  A  and  B.  If  the  corpuscu- lar temperatures  of  A  and  B  before  union  were very  high,  the  corpuscular  temperature  after  union would  be  high  also;  if  they  were  above  a  cer- tain limit,  the  corpuscular  temperature  after  union would  be  too  high  for  stability,  and  the  aggre- gate AB  would  not  be  formed.  Thus,  one  con- dition for  the  formation  of  complex  aggregate's  is that  the  corpuscular  temperature  of  their  constitu- ents before  combination  should  be  sufficiently  low.
 
If  the  molecula/t*  temperature  of  the  gas  in which  A  and  B  are  molecules  is  very  high,  com- bination may  be  prevented  by  the  high  relative velocity  of  A  and  B  carrying  them  apart  in  spite of  their  mutual  attraction.  The  point,  however,
 
 
CONSTITUTION  OF  THE  ATOM  JQ1
 
which  I  wish  to  emphasize  is,  that  we  cannot  se- cure the  union  merely  by  lowering  the  molecular temperature,  i.e.,  by  cooling  the  gas  ;  union  will be  impossible  unless  the  corpuscular  temperature, i.e.,  the  kinetic  energy  due  to  the  motion  of  the corpuscles  inside  the  atom,  is  reduced  below  a  cer- tain value.  We  may  prevent  union  by  raising  the molecular  temperature  of  a  gas,  but  we  cannot  en- sure union  by  lowering  it.
 
Thus,  to  take  a  specific  example,  the  reason,  on this  view,  why  the  atoms  of  hydrogen  present  on the  earth  do  not  combine  to  form  some  other  ele- ment, even  at  the  exceedingly  low  temperature  at which  hydrogen  becomes  liquid,  is  that  even  at this  temperature  the  kinetic  energy  of  the  corpus- cles inside  the  atom,  i.e.,  the  corpuscular  tempera- ture, is  too  great.  It  may  be  useful  to  repeat  here what  we  stated  before,  that  there  is  no  very  inti- mate connection  between  the  corpuscular  and  mo- lecular temperatures,  and  that  we  may  reduce  the latter  almost  to  the  absolute  zero  without  greatly affecting  the  former.
 
We  shall  now  proceed  to  discuss  the  bearing  of these  results  on  the  theory  that  the  different chemical  elements  have  been  gradually  evolved  by the  aggregation  of  primordial  units.
 
 
102  ELECTRICITY    AND    MATTER
 
Let  us  suppose  that  the  first  stage  has  been reached  and  that  we  have  a  number  of  systems formed  by  the  union  of  two  units.  When  first these  binary  systems,  as  we  shall  call  them,  were formed,  the  corpuscles  in  the  system  would  have a  considerable  amount  of  kinetic  energy.  This would  be  so,  because  when  the  two  units  have come  together  there  must  be  an  amount  of  kinetic energy  produced  equal  to  the  diminution  in  the potential  energy  consequent  upon  the  coalescence  of the  two  units.  As  these  binary  systems  have  or- iginally high  corpuscular  temperatures  they  will not  be  likely  to  combine  with  each  other  or  with another  unit ;  before  they  can  do  so  the  kinetic energy  of  the  corpuscles  must  get  reduced.
 
We  shall  proceed  immediately  to  discuss  the way  in  which  this  reduction  is  effected,  but  we shall  anticipate  the  result  of  the  discussion  by saying  that  it  leads  to  the  result  that  the  rate  of decay  in  the  corpuscular  temperature  probably varies  greatly  from  one  binary  system  to  another.
 
Some  of  the  systems  will  therefore  probably have  reached  a  condition  in  which  they  are  able to  combine  with  each  other  or  with  a  single  unit long  before  others  are  able  to  do  so.  The  systems of  the  first  kind  will  combine,  and  thus  we  shall
 
 
CONSTITUTION  OF  THE  ATOM  1Q3
 
have  systems  formed,  some  of  which  contain  three, others  four  units,  while  at  the  same  time  there  are many  of  the  binary  systems  left.  Thus,  the  appear- ance of  the  more  complex  systems  need  not  be simultaneous  with  the  disappearance  of  all  the  sim- pler ones.
 
The  same  principle  will  apply  to  the  formation of  further  aggregations  by  the  systems  containing three  or  four  units ;  some  of  these  will  be  ready  to unite  before  the  others,  and  we  may  have  systems containing  eight  units  formed  before  the  more  per- sistent of  those  containing  four,  three,  two  or  even one  unit  have  disappeared.  With  the  further  ad- vance of  aggregation  the  number  of  different  sys- tems present  at  one  and  the  same  time  will  in- crease.
 
Thus,  if  we  regard  the  systems  containing  differ- ent numbers  of  units  as  corresponding  to  the different  chemical  elements,  then  as  the  universe gets  older  elements  of  higher  and  higher  atomic weight  may  be  expected  to  appear.  Their  appear- ance, however,  will  not  involve  the  annihilation  of the  elements  of  lower  atomic  weight.  The  number of  atoms  of  the  latter  will,  of  course,  diminish, since  the  heavier  elements  are  by  hypothesis  built up  of  material  furnished  by  the  lighter.  The  whole
 
 
104  ELECTRICITY    AND  MATTER
 
of  the  atoms  of  the  latter  would  not,  however,  all be  used  up  at  once,  and  thus  we  may  have  a  very large  number  of  elements  existing  at  one  and  the same  time.
 
If,  however,  there  is  a  continual  fall  in  the  cor- puscular temperature  of  the  atoms  through  radia- tion, the  lighter  elements  will  disappear  in  time, and  unless  there  is  disintegration  of  the  heavier atoms,  the  atomic  weight  of  the  lightest  element surviving  will  continually  increase.  On  this  view, since  hydrogen  is  the  lightest  known  element  and the  atom  of  hydrogen  contains  about  a  thousand corpuscles,  all  aggregations  of  less  than  a  thousand units  have  entered  into  combination  and  are  no longer  free.
 
Tfie  way  the  Corpuscles  in  tlie  Atom  Lose  or  Gain Kinetic  Energy
 
If  the  kinetic  energy  arising  from  the  motion  of the  corpuscles  relatively  to  the  centre  of  gravity of  the  atom  could  by  collisions  be  transformed into  kinetic  energy  due  to  the  motion  of  the  atom as  a  whole,  i.e.,  into  molecular  temperature,  it would  follow  from  the  kinetic  theory  of  gases, since  the  number  of  corpuscles  in  the  atom  is  ex- ceedingly large,  that  the  specific  heat  of  a  gas  at
 
 
CONSTITUTION  OF  THE    ATOM  105
 
constant  pressure  would  be  very  nearly  equal  to the  specific  heat  at  constant  volume ;  whereas,  as a  matter  of  fact,  in  no  gas  is  there  any  approach to  equality  in  these  specific  heats.  We  conclude, therefore,  that  it  is  not  by  collisions  that  the kinetic  energy  of  the  corpuscles  is  diminished.
 
We  have  seen,  however  (page  68),  that  a  mov- ing electrified  particle  radiates  energy  whenever its  velocity  is  changing  either  in  magnitude  or direction.  The  corpuscles  in  the  atom  will  thus emit  electric  waves,  radiating  energy  and  so  losing kinetic  energy.
 
The  rate  at  which  energy  is  lost  in  this  way  by the  corpuscles  varies  very  greatly  with  the  num- ber of  the  corpuscles  and  the  way  in  which  they are  moving.  Thus,  if  we  have  a  single  corpuscle describing  a  circular  orbit  of  radius  a  with  uni- form velocity  v,  the  loss  of  energy  due  to  radia- tion per  second  is  -  =^-5,  where  e  is  the  charge  on 3  V  or
 
the  corpuscles  and  V  the  velocity  of  light.  If instead  of  a  single  corpuscle  we  had  two  corpus- cles at  opposite  ends  of  a  diameter  moving  round the  same  orbit  with  the  same  velocity  as  the  sin- gle corpuscle,  the  loss  of  energy  per  second  from  the two  would  be  very  much  less  than  from  the  single
 
 
106  ELECTRICITY    AND    MATTER
 
corpuscle,  and  the  smaller  the  velocity  of  the  cor- puscle the  greater  would  be  the  diminution  in the  loss  of  energy  produced  by  increasing  the number  of  corpuscles.  The  effect  produced  by increasing  the  number  of  corpuscles  is  shown  in the  following  table,  which  gives  the  rate  of  radia- tion for  each  corpuscle  for  various  numbers  of corpuscles  arranged  at  equal  angular  intervals round  the  circular  orbit.
 
The  table  applies  to  two  cases  ;  in  one  the  veloc- ity of  the  corpuscles  is  taken  as  one-tenth  that  of light,  and  in  the  second  as  one-hundredth.  The radiation  from  a  single  corpuscle  is  in  each  case taken  as  unity.
 
Number  of  corpuscles.        Radiation  from  each  corpuscle.
 
_F  V
 
~~IQ  ~  TOO
 
1 1  1
 
2 9.6  x  10~2  9.6  x  ID"4
 
3 4.6  x  l(r3  4.6  x  10-7
 
4 1.7x10-^  1.7  x  10-10
 
5 5.6X10-5  5.6  x  10~13
 
6 1.6  x  10~7  1.6xlO~17
 
Thus,  we  see  that  the  radiation  from  each  of  a group  of  six  corpuscles  moving  with  one-tenth  the velocity  of  light  is  less  than  one-five-millionth  part of  the  radiation  from  a  single  corpuscle,  describ-
 
 
CONSTITUTION    OF    THE    ATOM  1Q7
 
ing  the  same  orbit  with  the  same  velocity,  while, when  the  velocity  of  the  corpuscles  is  only  one- hundredth  of  that  of  light,  the  reduction  in  the radiation  is  very  much  greater.
 
If  the  corpuscles  are  displaced  from  the  sym- metrical position  in  which  they  are  situated  at equal  intervals  round  a  circle  whose  centre  is  at rest,  the  rate  of  radiation  will  be  very  much  in- creased. In  the  case  of  an  atom  containing  a  large number  of  corpuscles  the  variation  in  the  rate  at which  energy  is  radiated  will  vary  very  rapidly with  the  way  the  corpuscles  are  moving  about  in the  atom.  Thus,  for  example,  if  we  had  a  large number  of  corpuscles  following  close  on  one  an- other's heels  round  a  circular  orbit  the  radiation would  be  exceedingly  small ;  it  would  vanish  alto- gether if  the  corpuscles  were  so  close  together that  they  formed  a  continuous  ring  of  negative electrification.  If  the  same  number  of  particles were  moving  about  irregularly  in  the  atom,  then though  the  kinetic  energy  possessed  by  the  cor- puscles in  the  second  case  might  be  no  greater than  in  the  first,  the  rate  of  radiation,  i.e.,  of  cor- puscular cooling,  would  be  immensely  greater.
 
Thus,  we  see  that  in  the  radiation  of  energy from  corpuscles  whose  velocity  is  not  uniform  we
 
 
10g  ELECTRICITY    AND    MATTER
 
have  a  process  going  on  which  will  gradually  cool the  corpuscular  temperature  of  the  atom,  and  so, if  the  view  we  have  been  discussing  is  correct, enable  the  atom  to  form  further  aggregations  and thus  tend  to  the  formation  of  new  chemical  ele- ments.
 
This  cooling  process  must  be  an  exceedingly slow  one,  for  although  the  corpuscular  tempera- ture when  the  atom  of  a  new  element  is  formed is  likely  to  be  exceedingly  high,  and  the  lowering in  that  temperature  required  before  the  atom  can enter  again  into  fresh  aggregations  very  large, yet  we  have  evidence  that  some  of  the  elements must  have  existed  unchanged  for  many  thousands, nay,  millions  of  years ;  we  have,  indeed,  no  direct evidence  of  any  change  at  all  in  the  atom.  I think,  however,  that  some  of  the  phenomena  of radio-activity  to  which  I  shall  have  to  allude  later, afford,  I  will  not  say  a  proof  of,  but  a  very  strong presumption  in  favor  of  some  such  secular  changes taking  place  in  the  atom.
 
We  must  remember,  too,  that  the  corpuscles  in any  atom  are  receiving  and  absorbing  radiation from  other  atoms.  This  will  tend  to  raise  the corpuscular  temperature  of  the  atom  and  thus help  to  lengthen  the  time  required  for  that
 
 
CONSTITUTION  OF  THE    ATOM  \QQ
 
temperature  to    fall  to    the    point  where  fresh aggregations  of  the  atom  may  be  formed.
 
The  fact  that  the  rate  of  radiation  depends  so much  upon  the  way  the  corpuscles  are  moving about  in  the  atom  indicates  that  the  lives  of  the different  atoms  of  any  particular  element  will  not be  equal ;  some  of  these  atoms  will  be  ready  to enter  upon  fresh  changes  long  before  the  others. It  is  important  to  realize  how  large  are  the amounts  of  energy  involved  in  the  formation  of  a complex  atom  or  in  any  rearrangement  of  the  con- figuration of  the  corpuscles  inside  it.  If  we  have an  atom  containing  n  corpuscles  each  with  a charge  e  measured  in  electrostatic  units,  the  total quantity  of  negative  electricity  in  the  atom  is  n  e and  there  is  an  equal  quantity  of  positive  elec- tricity distributed  through  the  sphere  of  positive electrification;  hence,  the  work  required  to  sep- arate the  atom  into  its  constituent  units  will  be
 
comparable  with  ^ — '- ,  a  being  the  radius  of  the
 
sphere  containing  the  corpuscles.    Thus,  as  the atom  has  been  formed  by  the  aggregation  of  these
 
units  v16'  will  be  of  the  same  order  of  magni- a
 
tude  as  the  kinetic  energy  imparted  to  those  con-
 
 
HO  ELECTRICITY  AND  MATTER
 
stituents  during  their  whole  history,  from  the time  they  started  as  separate  units,  down  to  the time  they  became  members  of  the  atom  under consideration.  They  will  in  this  period  have  radi- ated away  a  large  quantity  of  this  energy,  but  the following  calculation  will  show  what  an  enormous amount  of  kinetic  energy  the  corpuscles  in  the atom  must  possess  even  if  they  have  only  retained an  exceedingly  small  fraction  of  that  communi-
 
cated to  them.    Let  us  calculate  the  value  of  *  —  '-
 
a
 
for  all  the  atoms  in  a  gram  of  the  substance  ;  let N  be  the  number  of  these  atoms  in  a  gram,  then
 
N^-  —  '-  is  the  value  of  the  energy  acquired  by  these atoms.  If  Mis  the  mass  of  an  atom  NM=  1,  thus  :
 
 
but  if  m  is  the  mass  of  a  corpuscle and  therefore
 
 
_
 
a  ma'
 
 
now  when  e  is  measured  in  electrostatic  units
 
<L  =  3  x  1017  and  e  =  3.4  X  1Q-10  ; m
 
 
CONSTITUTION  OF  THE  ATOM  m
 
and  therefore
 
N&*y=  10.2X107X  -.          (1) «  a
 
Let  us  take  the  case  of  the  hydrogen  atom  for which  n  =  1000,  and  take  for  a  the  value  usually assumed  in  the  kinetic  theory  of  gases  for  the radius  of  the  atom,  i.e.,  10"8  cm.  then
 
jy  (M-=  1.02  X  1019ergs;
 
this  amount  of  energy  would  be  sufficient  to  lift  a million  tons  through  a  height  considerably  ex- ceeding one  hundred  yards.  We  see,  too,  from (1)  that  this  energy  is  proportional  to  the  num- ber of  corpuscles,  so  that  the  greater  the  molecu- lar weight  of  an  element,  the  greater  will  be  the amount  of  energy  stored  up  in  the  atoms  in  each gram.
 
We  shall  return  to  the  subject  of  the  internal changes  in  the  atom  when  we  discuss  some  of the  phenomena  of  radio-activity,  but  before  doing so  it  is  desirable  to  consider  more  closely  the  way the  corpuscles  arrange  themselves  in  the  atom. We  shall  begin  with  the  case  where  the  corpuscles are  at  rest.  The  corpuscles  are  supposed  to  be  in a  sphere  of  uniform  positive  electrification  which produces  a  radial  attractive  force  on  each  cor-
 
 
112
 
 
ELECTRICITY    AND    MATTER
 
 
Flo.  16.
 
 
puscle  proportional  to  its  distance  from  the  centre of  the  sphere,  and  the  problem  is  to  arrange  the corpuscles  in  the  sphere  so  that they  are  in  equilibrium  under  this attraction  and  their  mutual  re- pulsions. If  there  are  only  two corpuscles,  A  B,  we  can  see  at once  that  they  will  be  in  equi- librium if  placed  so  that  A  B and  the  centre  of  the  sphere  are  in  the  same straight  line  and  OA  =  OB  =  $  the  radius  of  the sphere.
 
If  there  are  three  corpuscles,  A  B  C,  they  will be  in  equilibrium  of  A  B  C  as  an  equilateral  tri- angle with  its  centre  at  O  and OA=  OB  =  OC  =  (\y,  or  .57 times  the  radius  of  the  sphere.
 
If  there  are  four  corpuscles these  will  be  in  equilibrium  if placed  at  the  angular  points  of  a regular  tetrahedron  with  its  cen- tre at  the  centre  of  the  sphere.  In  these  cases  the corpuscles  are  all  on  the  surface  of  a  sphere  con- centric with  the  sphere  of  positive  electrification, and  we  might  suppose  that  whatever  the  number of  corpuscles  the  position  of  equilibrium  would  be
 
 
FIG.  15.
 
 
CONSTITUTION  OF  THE    ATOM  H3
 
one  of  symmetrical  distribution  over  the  surface of  a  sphere.  Such  a  distribution  would  indeed technically  be  one  of  equilibrium,  but  a  mathe- matical calculation  shows  that  unless  the  number of  corpuscles  is  quite  small,  say  seven  or  eight  at the  most,  this  arrangement  is  unstable  and  so  can never  persist.  When  the  number  of  corpuscles  is greater  than  this  limiting  number,  the  corpuscles break  up  into  two  groups.  One  group  containing the  smaller  number  of  corpuscles  is  on  the  surface of  a  small  body  concentric  with  the  sphere ;  the remainder  are  on  the  surface  of  a  larger  concen- tric body.  When  the  number  of  corpuscles  is still  further  increased  there  comes  a  stage  when the  equilibrium  cannot  be  stable  even  with  two groups,  and  the  corpuscles  now  divide  themselves into  three  groups,  arranged  on  the  surfaces  of  con- centric shells ;  and  as  we  go  on  increasing  the number  we  pass  through  stages  in  which  more  and more  groups  are  necessary  for  equilibrium.  With any  considerable  number  of  corpuscles  the  prob- lem of  finding  the  distribution  when  in  equilibrium becomes  too  complex  for  calculation  ;  and  we  have to  turn  to  experiment  and  see  if  we  can  make  a model  in  which  the  forces  producing  equilibrium are  similar  to  those  we  have  supposed  to  be  at
 
 
114  ELECTRICITY    AND    MATTER
 
work  in  the  corpuscle.  Such  a  model  is  afforded by  a  very  simple  and  beautiful  experiment  first made,  I  think,  by  Professor  Mayer.  In  this  experi- ment a  number  of  little  magnets  are  floated  in  a vessel  of  water.  The  magnets  are  steel  needles magnetized  to  equal  strengths  and  are  floated  by being  thrust  through  small  disks  of  cork.  The magnets  are  placed  so  that  the  positive  poles  are either  all  above  or  all  below  the  surface  of  the water.  These  positive  poles,  like  the  corpuscles, repel  each  other  with  forces  varying  inversely  as the  distance  between  them.  The  attractive  force is  provided  by  a  negative  pole  (if  the  little  mag- nets have  their  positive  poles  above  the  water)  sus- pended some  distance  above  the  surface  of  the water.  This  pole  will  exert  on  the  positive  poles of  the  little  floating  magnets  an  attractive  force the  component  of  which,  parallel  to  the  surface of  the  water,  will  be  radial,  directed  to  0,  the projection  of  the  negative  pole  on  the  surface  of the  water,  and  if  the  negative  pole  is  some  dis- tance above  the  surface  the  component  of  the  force to  O  will  be  very  approximately  proportional  to the  distance  from  O.  Thus  the  forces  on  the  poles of  the  floating  magnets  will  be  very  similar  to  those acting  on  the  corpuscle  in  our  hypothetical  atom ;
 
 
CONSTITUTION  OF  THE    ATOM
 
 
H5
 
 
the  chief  difference  being  that  the  corpuscles  are free  to  move  about  in  all  directions  in  space,  while the  poles  of  the  floating  magnets  are  constrained to  move  in  a  plane  parallel  to  the  surface  of  the water.
 
The  configurations  which  the  floating  magnets assume  as  the  number  of  magnets  increases  from two  up  to  nineteen  is  shown  in  Fig.  17,  which was  given  by  Mayer.
 
 
FIG.  17.
 
The  configuration  taken  up  when  the  magnets are  more  numerous  can  be  found  from  the  follow- ing table,  which  is  also  due  to  Mayer.  From  this table  it  will  be  seen  that  when  the  number  of floating  magnets  does  not  exceed  five  the  magnets
 
 
116
 
 
ELECTRICITY    AND  MATTER
 
 
arrange  themselves  at  the  corners  of  a  regular polygon,  five  at  the  corners  of  a  pentagon,  four  at the  corners  of  a  square  and  so  on.  When  the number  is  greater  than  five  this  arrangement  no longer  holds.  Thus,  six  magnets  do  not  arrange themselves  at  the  corners  of  a  hexagon,  but  divide into  two  systems,  one  magnet  being  at  the  centre and  five  outside  it  at  the  corners  of  a  regular  penta- gon. This  arrangement  in  two  groups  lasts  until there  are  fifteen  magnets,  when  we  have  three groups ;  with  twenty-seven  magnets  we  get  four groups  and  so  on.
 
 
Arrangement  of  Magi
 
tets  (Mayer)
 
1.                  2.                    3.
 
4.                    6.
 
1-5        (2.6            (3.7 •1-6          (2.7              (3.8
 
I4-8  I5-9
 
(4.9      (
 
1  .  7
 
1.6.9    C2  .  7  .  10        3.7      10
 
(4  .  8  .  12    J5  .  9  .    12
 
1.6.9    J  2  .  8  .  10
 
3  .  7  .  11
 
1  4  .  8  .  13    1  5  .  9  .  13
 
1  .  6  .  10  (2  .  7  .  11 1  .  6  .  11
 
3  .  8  .  10 3  .  8  .  11
 
»4  .  9  .  12 4  .  9  .  13
 
3  .  8  .  12
 
3  .  8  .  13
 
CONSTITUTION  OF  THE    ATOM
 
 
f  •  6
 
.  5
 
.  9  . .  9  .
 
12  (  2  .  7  .  10  .  15
 
13  \2  .  7  .  12  .  14
 
3  .  7  .  12  .  13  f4  .  9  .  13  .  14 3  .  7  .  12  .  14  J  4  .9  .  13  .  15
 
.  6
 
.  9  .
 
12
 
3.7.  13  .  14  (4  .  9  .  14  .  15
 
.  6
 
.  10  .
 
12
 
3.7  13  .  15
 
.  C
 
.  10  .
 
13
 
.  6
 
.  11  .
 
2
 
.  6
 
.  11  .
 
13
 
.  6
 
.  11  .
 
14
 
.  •  6
 
.  11  .
 
15
 
Where,  for  example,  3.  7.  12.  13  means  that thirty-five  magnets  arrange  themselves  so  that there  is  a  ring  of  three  magnets  inside,  then  a  ring of  seven,  then  one  of  twelve,  and  one  of  thirteen outside.
 
I  think  this  table  affords  many  suggestions  tow- ard the  explanation  of  some  of  the  properties possessed  by  atoms.  Let  us  take,  for  example,  the chemical  law  called  the  Periodic  Law ;  according to  this  law  if  we  arrange  the  elements  in  order  of increasing  atomic  weights,  then  taking  an  element of  low  atomic  weight,  say  lithium,  we  find  certain properties  associated  with  it.  These  properties are  not  possessed  by  the  elements  immediately following  it  in  the  series  of  increasing  atomic weight ;  but  they  appear  again  when  we  come  to sodium,  then  they  disappear  again  for  a  time,
 
 
Ug  ELECTRICITY    AND  MATTER
 
but  reappear  when  we  reach  potassium,  and  so on.  Let  us  now  consider  the  arrangements  of the  floating  magnets,  and  suppose  that  the  number of  magnets  is  proportional  to  the  combining  weight of  an  element.  Then,  if  any  property  were  asso- ciated with  the  triangular  arrangement  of  magnets, it  would  be  possessed  by  the  elements  whose  com- bining weight  was  on  this  scale  three,  but  would not  appear  again  until  we  reached  the  combining weight  ten,  when  it  reappears,  as  for  ten  magnets we  have  the  triangular  arrangement  in  the  middle and  a  ring  of  seven  magnets  outside.  When  the number  of  magnets  is  increased  the  triangular arrangement  disappears  for  a  time,  but  reappears with  twenty  magnets,  and  again  with  thirty-five, the  triangular  arrangement  appearing  and  dis- appearing in  a  way  analogous  to  the  behavior  of the  properties  of  the  elements  in  the  Periodic Law.  As  an  example  of  a  property  that  might very  well  be  associated  with  a  particular  grouping of  the  corpuscles,  let  us  take  the  times  of  vibra- tion of  the  system,  as  shown  by  the  position  of the  lines  in  the  spectrum  of  the  element.  First let  us  take  the  case  of  three  corpuscles  by  them- selves in  the  positively  electrified  sphere.  The three  corpuscles  have  nine  degrees  of  freedom,  so
 
 
CONSTITUTION  OF  THE  ATOM  HQ
 
that  there  are  nine  possible  periods.  Some  of these  periods  in  this  case  would  be  infinitely  long, and  several  of  the  possible  periods  would  be  equal to  each  other,  so  that  we  should  not  get  nine  dif- ferent periods.
 
Suppose  that  the  lines  in  the  spectrum  of  the three  corpuscles  are  as  represented  in  Fig.  18  a,
 
 
A
 
 
a  c  D    c
 
 
e  3    /    2
 
 
A    B    c    a    £
 
 
FIG.  18.
 
where  the  figures  under  the  lines  represent  the number  of  periods  which  coalesce  at  that  line ;  i.e., regarding  the  periods  as  given  by  an  equation  with nine  roots,  we  suppose  that  there  is  only  one  root giving  the  period  corresponding  to  the  line  -4, while  corresponding  to  I>  there  are  two  equal roots,  three  equal  roots  corresponding  to  <7,  one
 
 
120  ELECTRICITY    AND    MATTER
 
root,  to  O,  and  two  to  E.  These  periods  would have  certain  numerical  relations  to  each  other,  in- dependent of  the  charge  on  the  corpuscle,  the  size of  the  sphere  in  which  they  are  placed,  or  their distance  from  the  centre  of  the  sphere.  Each  of these  quantities,  although  it  does  not  affect  the ratio  of  the  periods,  will  have  a  great  effect  upon the  absolute  value  of  any  one  of  them.  Now, suppose  that  these  three  corpuscles,  instead  of being  alone  in  the  sphere,  form  but  one  out  of several  groups  in  it,  just  as  the  triangle  of  mag- nets forms  a  constituent  of  the  grouping  of  3,  10, 20,  and  35  magnets.  Let  us  consider  how  the presence  of  the  other  groups  would  affect  the periods  of  vibration  of  the  three  corpuscles.  The absolute  values  of  the  periods  would  generally  be entirely  different,  but  the  relationship  existing  be- tween the  various  periods  would  be  much  more persistent,  and  although  it  might  be  modified  it would  not  be  destroyed.  Using  the  phraseology  of the  Planetary  Theory,  we  may  regard  the  motion of  the  three  corpuscles  as  "  disturbed  "  by  the other  groups.
 
When  the  group  of  three  corpuscles  was  by  it- self there  were  several  displacements  which  gave the  same  period  of  vibration ;  for  example,  corre-
 
 
CONSTITUTION  OF  THE  ATOM  121
 
spending  to  the  line  C  there  were  three  displace- ments, all  giving  the  same  period.  When,  how^ ever,  there  are  other  groups  present,  then  these different  displacements  will  no  longer  be  sym- metrical with  respect  to  these  groups,  so  that  the three  periods  will  no  longer  be  quite  equal.  They would,  however,  be  very  nearly  equal  unless  the effect  of  the  other  groups  is  very  large.  Thus, in  the  spectrum,  <7,  instead  of  being  a  single  line, would  become  a  triplet,  while  B  and  E  would  be- come doublets.  A  D  would  remain  single  lines.
 
Thus,  the  spectrum  would  now  resemble  Fig. 18  b',  the  more  groups  there  are  surrounding  the group  of  three  the  more  will  the  motion  of  the latter  be  disturbed  and  the  greater  the  separation of  the  constituents  of  the  triplets  and  doublets. The  appearance  as  the  number  of  groups  increases is  shown  in  Fig.  18  £,  c.  Thus,  if  we  regarded the  element  which  contain  this  particular  group- ing of  corpuscles  as  being  in  the  same  group  in  the classification  of  elements  according  to  the  Periodic Law,  we  should  get  in  the  spectra  of  these  ele- ments homologous  series  of  lines,  the  distances  be- tween the  components  of  the  doublets  and  triplets increasing  with  the  atomic  weight  of  the  elements. The  investigations  of  Rydberg,  Runge  and  Pas-
 
 
122  ELECTRICITY    AXD    MATTER
 
chen  and  Keyser  have  shown  the  existence  in  the spectra  of  elements  of  the  same  group  series  of lines  having  properties  in  many  respects  analogous to  those  we  have  described.
 
Another  point  of  interest  given  by  Mayer's  ex- periments is  that  there  is  more  than  one  stable configuration  for  the  same  number  of  magnets; these  configurations  correspond  to  different  amounts of  potential  energy,  so  that  the  passage  from  the configuration  of  greater  potential  energy  to  that  of less  would  give  kinetic  energy  to  the  corpuscle. From  the  values  of  the  potential  energy  stored in  the  atom,  of  which  we  gave  an  estimate  on page  111,  we  infer  that  a  change  by  even  a  small fraction  in  that  potential  energy  would  develop an  amount  of  kinetic  energy  which  if  converted into  heat  would  greatly  transcend  the  amount  of heat  developed  when  the  atoms  undergo  any  known chemical  combination.
 
An  inspection  of  the  table  shows  that  there  are certain  places  in  it  where  the  nature  of  the  con- figuration changes  very  rapidly  with  the  number of  magnets  ;  thus,  five  magnets  form  one  group, while  six  magnets  form  two;  fourteen  magnets form  two  groups,  fifteen  three ;  twenty  -  seven magnets  form  three  groups,  twenty-eight  four,
 
 
CONSTITUTION  OF  THE  ATOM  123
 
and  so  on.  If  we  arrange  the  chemical  elements in  the  order  of  their  atomic  weights  we  find  there are  certain  places  where  the  difference  in  proper- ties of  consecutive  elements  is  exceptionally  great ; thus,  for  example,  we  have  extreme  differences  in properties  between  fluorine  and  sodium.  Then there  is  more  or  less  continuity  in  the  properties until  we  get  to  chlorine,  which  is  followed  by potassium;  the  next  break  occurs  at  bromine and  rubidium  and  so  on.  This  effect  seems analogous  to  that  due  to  the  regrouping  of  the magnets.
 
So  far  we  have  supposed  the  corpuscles  to  be at  rest ;  if,  however,  they  are  in  a  state  of  steady motion  and  describing  circular  orbits  round  the centre  of  the  sphere,  the  effect  of  the  centrifugal force  arising  from  this  motion  will  be  to  drive  the corpuscles  farther  away  from  the  centre  of  the sphere,  without,  in  many  cases,  destroying  the character  of  the  configuration.  Thus,  for  example, if  we  have  three  corpuscles  in  the  sphere,  they will,  in  the  state  of  steady  motion,  as  when  they are  at  rest,  be  situated  at  the  corners  of  an  equi- angular triangle ;  this  triangle  will,  however,  be rotating  round  the  centre  of  the  sphere,  and  the distance  of  the  corpuscles  from  the  centre  will  be
 
 
124  ELECTRICITY    AND    MATTER
 
greater  than  when  they  are  at  rest  and  will  in- crease with  the  velocity  of  the  corpuscles.
 
There  are,  however,  many  cases  in  which  rota- tion is  essential  for  the  stability  of  the  configura- tion. Thus,  take  the  case  of  four  corpuscles. These,  if  rotating  rapidly,  are  in  stable  steady motion  when  at  the  corners  of  a  square,  the  plane of  the  square  being  at  right  angles  to  the  axis  of rotation ;  when,  however,  the  velocity  of  rotation of  the  corpuscles  falls  below  a  certain  value,  the arrangement  of  four  corpuscles  in  one  plane  be- comes unstable,  and  the  corpuscles  tend  to  place themselves  at  the  corners  of  a  regular  tetrahedron, which  is  the  stable  arrangement  when  the  cor- puscles are  at  rest.  The  system  of  four  corpuscles at  the  corners  of  a  square  may  be  compared  with a  spinning  top,  the  top  like  the  corpuscles  being unstable  unless  its  velocity  of  rotation  exceeds a  certain  critical  value.  Let  us  suppose  that initially  the  velocity  of  the  corpuscles  exceeds this  value,  but  that  in  some  way  or  another  the corpuscles  gradually  lose  their  kinetic  energy; the  square  arrangement  will  persist  until  the  ve- locity of  the  corpuscles  is  reduced  to  the  critical value.  The  arrangement  will  then  become  un- stable, and  there  will  be  a  convulsion  in  the  sys-
 
 
CONSTITUTION    OF  THE  ATOM  125
 
tern  accompanied  by  a  great  evolution  of  kinetic energy.
 
Similar  considerations  will  apply  to  many  as- semblages of  corpuscles.  In  such  cases  the  con- figuration when  the  corpuscles  are  rotating  with great  rapidity  will  (as  in  the  case  of  the  four  cor- puscles) be  essentially  different  from  the  configu- ration of  the  same  number  of  corpuscles  when  at rest.  Hence  there  must  be  some  critical  velocity of  the  corpuscles,  such  that,  for  velocities  greater than  the  critical  one,  a  configuration  is  stable, which  becomes  unstable  when  the  velocity  is reduced  below  the  critical  value.  When  the  ve- locity sinks  below  the  critical  value,  instability sets  in,  and  there  is  a  kind  of  convulsion  or  ex- plosion, accompanied  by  a  great  diminution  in  the potential  energy  and  a  corresponding  increase  in the  kinetic  energy  of  the  corpuscles.  This  increase in  the  kinetic  energy  of  the  corpuscles  may  be sufficient  to  detach  considerable  numbers  of  them from  the  original  assemblage.
 
These  considerations  have  a  very  direct  bearing on  the  view  of  the  constitution  of  the  atoms  which we  have  taken  in  this  chapter,  for  they  show  that with  atoms  of  a  special  kind,  i.e.,  with  special atomic  weights,  the  corpuscular  cooling  caused  by
 
 
126  ELECTRICITY    AND    MATTER
 
the  radiation  from  the  moving  corpuscles  which we  have  supposed  to  be  slowly  going  on,  might, when  it  reached  a  certain  stage,  produce  instabil- ity inside  the  atom,  and  produce  such  an  in- crease in  the  kinetic  energy  of  the  corpuscles  as to  give  rise  to  greatly  increased  radiation,  and  it might  be  detachment  of  a  portion  of  the  atom. It  would  cause  the  atom  to  emit  energy ;  this energy  being  derived  from  the  potential  energy due  to  the  arrangement  of  the  corpuscles  in  the atom.  We  shall  see  when  we  consider  the  phe- nomenon of  radio-activity  that  there  is  a  class  of bodies  which  show  phenomena  analogous  to  those just  described.
 
On  the  view  that  the  lighter  elements  are formed  first  by  the  aggregation  of  the  unit doublet,  the  negative  element  of  which  is  the  cor- puscle, and  that  it  is  by  the  combination  of  the atoms  of  the  lighter  elements  that  the  atoms  of the  heavier  elements  are  produced,  we  should  ex- pect the  corpuscles  in  the  heavy  atoms  to  be  ar- ranged as  it  were  in  bundles,  the  arrangement  of the  corpuscles  in  each  bundle  being  similar  to  the arrangement  in  the  atom  of  some  lighter  element. In  the  heavier  atom  these  bundles  would  act  as subsidiary  units,  each  bundle  corresponding  to
 
 
CONSTITUTION  OF  THE    ATOM  J27
 
one  of  the  magnets  in  the  model  formed  by  the floating  magnets,  while  inside  the  bundle  them- selves the  corpuscle  would  be  the  analogue  of the  magnet.
 
We  must  now  go  on  to  see  whether  an  atom built  up  in  the  way  we  have  supposed  could  pos- sess any  of  the  properties  of  the  real  atom.  Is there,  for  example,  in  this  model  of  an  atom  any scope  for  the  electro-chemical  properties  of  the real  atom ;  such  properties,  for  example,  as  those illustrated  by  the  division  of  the  chemical  ele- ments into  two  classes,  electro-positive  and  electro- negative. Why,  for  example,  if  this  is  the  con- stitution of  the  atom,  does  an  atom  of  sodium  or potassium  tend  to  acquire  a  positive,  the  atom  of chlorine  a  negative  charge  of  electricity  ?  Again, is  there  anything  in  the  model  of  the  atom  to suggest  the  possession  of  such  a  property  as  that called  by  the  chemists  valency  ;  i.e.,  the  property which  enables  us  to  divide  the  elements  into groups,  called  monads,  dyads,  triads,  such  that  in a  compound  formed  by  any  two  elements  of  the first  group  the  molecule  of  the  compound  will contain  the  same  number  of  atoms  of  each  element, while  in  a  compound  formed  by  an  element  A  in the  first  group  with  one  B  in  the  second,  the  mole-
 
 
12g  ELECTRICITY    AND    MATTER
 
cule  of  the  compound  contains  twice  as  many atoms  of  A  as  of  B,  and  so  on  ?
 
Let  us  now  turn  to  the  properties  of  the  model atom.  It  contains  a  very  large  number  of  corpus- cles in  rapid  motion.  We  have  evidence  from  the phenomena  connected  with  the  conduction  of electricity  through  gases  that  one  or  more  of  these corpuscles  can  be  detached  from  the  atom. These  may  escape  owing  to  their  high  veloc- ity enabling  them  to  travel  beyond  the  attrac- tion of  the  atom.  They  may  be  detached  also  by collision  of  the  atom  with  other  rapidly  moving atoms  or  free  corpuscles.  When  once  a  corpuscle has  escaped  from  an  atom  the  latter  will  have  a  pos- itive charge.  This  will  make  it  more  difficult  for a  second  negatively  electrified  corpuscle  to  escape, for  in  consequence  of  the  positive  charge  on  the atom  the  latter  will  attract  the  second  corpuscle more  strongly  than  it  did  the  first.  Now  we  can readily  conceive  that  the  ease  with  which  a  par- ticle will  escape  from,  or  be  knocked  out  of,  an atom  may  vary  very  much  in  the  atoms  of  the  dif- ferent elements.  In  some  atoms  the  velocities  of the  corpuscles  may  be  so  great  that  a  corpuscle escapes  at  once  from  the  atom.  It  may  even  be that  after  one  has  escaped,  the  attraction  of  the
 
 
CONSTITUTION    OF    THE    ATOM  129
 
positive  electrification  thus  left  on  the  atom  is not  sufficient  to  restrain  a  second,  or  even  a  third, corpuscle  from  escaping.  Such  atoms  would  ac- quire positive  charges  of  one,  two,  or  three  units, according  as  they  lost  one,  two,  or  three  corpus- cles. On  the  other  hand,  there  may  be  atoms  in which  the  velocities  of  the  corpuscles  are  so  small that  few,  if  any,  corpuscles  escape  of  their  own accord,  nay,  they  may  even  be  able  to  receive one  or  even  more  than  one  corpuscle  before  the repulsion  exerted  by  the  negative  electrification on  these  foreign  corpuscles  forces  any  of  the original  corpuscles  out.  Atoms  of  this  kind  if placed  in  a  region  where  corpuscles  were  present would  by  aggregation  with  these  corpuscles  re. ceive  a  negative  charge.  The  magnitude  of  the negative  charge  would  depend  upon  the  firmness with  which  the  atom  held  its  corpuscles.  If  a negative  charge  of  one  corpuscle  were  not  suf- ficient to  expel  a  corpuscle  while  the  negative charge  of  two  corpuscles  could  do  so,  the  maxi- mum negative  charge  on  the  atom  would  be  one unit.  If  two  corpuscles  were  not  sufficient  to  expel a  corpuscle,  but  three  were,  the  maximum  nega- tive charge  would  be  two  units,  and  so  on.  Thus, the  atoms  of  this  class  tend  to  get  charged  with
 
 
L30  ELECTRICITY    AND  MATTER
 
negative  electricity  and  correspond  to  the  electro- negative chemical  elements,  while  the  atoms  of  the class  we  first  considered,  and  which  readily  lose corpuscles,  acquire  a  positive  charge  and  corre- spond to  the  atoms  of  the  electro-positive  elements. We  might  conceive  atoms  in  which  the  equilib- rium of  the  corpuscles  was  so  nicely  balanced that  though  they  do  not  of  themselves  lose  a  cor- puscle, and  so  do  not  acquire  a  positive  charge,  the repulsion  exerted  by  a  foreign  corpuscle  coming on  to  the  atom  would  be  sufficient  to  drive  out  a corpuscle.  Such  an  atom  would  be  incapable  of receiving  a  charge  either  of  positive  or  negative electricity.
 
Suppose  we  have  a  number  of  the  atoms  that readily  lose  their  corpuscles  mixed  with  a  num- ber of  those  that  can  retain  a  foreign  corpuscle. Let  us  call  an  atom  of  the  first  class  A,  one  of  the second  £,  and  suppose  that  the  A  atoms  are  of the  kind  that  lose  one  corpuscle  while  the  IB  atoms are  of  the  kind  that  can  retain  one,  but  not  more than  one  ;  then  the  corpuscles  which  escape  from the  A  atoms  will  ultimately  find  a  home  on  the  B atoms,  and  if  there  are  an  equal  number  of  the two  kinds  of  atoms  present  we  shall  get  ultimate- ly all  the  A  atoms  with  the  unit  positive  charge,
 
 
CONSTITUTION  OF  THE  ATOM  131
 
all  the  B  atoms  with  the  unit  negative  charge. These  oppositely  electrified  atoms  will  attract  each other,  and  we  shall  get  the  compound  A  B formed.  If  the  A  atoms  had  been  of  the  kind that  lost  two  corpuscles,  and  the  B  atoms  the same  as  before,  then  the  A  atoms  would  get  the charge  of  two  positive  units,  the  B  atoms  a  charge of  one  unit  of  negative  electricity.  Thus,  to  form a  neutral  system  two  of  the  B  atoms  must  com- bine  with  one  of  the  A's  and  thus  the  compound A  HI  would  be  formed.
 
Thus,  from  this  point  of  view  a  univalent  elec- tro-positive atom  is  one  which,  under  the  circum- stances prevailing  when  combination  is  taking place,  has  to  lose  one  and  only  one  corpuscle  be- fore stability  is  attained ;  a  univalent  electro-neg- ative atom  is  one  which  can  receive  one  but  not more  than  one  corpuscle  without  driving  off  other corpuscles  from  the  atom;  a  divalent  electro- positive atom  is  one  that  loses  two  corpuscles  and no  more,  and  so  on.  The  valency  of  the  atom thus  depends  upon  the  ease  with  which  corpus- cles can  escape  from  or  be  received  by  the  atom ; this  may  be  influenced  by  the  circumstances existing  when  combination  is  taking  place.  Thus, it  would  be  easier  for  a  corpuscle,  when  once  it
 
 
132  ELECTRICITY  AND  MATTER
 
had  got  outside  the  atom,  to  escape  being  pulled back  again  into  it  by  the  attraction  of  its  positive electrification,  if  the  atom  were  surrounded  by  good conductors  than  if  it  were  isolated  in  space.  We can  understand,  then,  why  the  valency  of  an  atom may  in  some  degree  be  influenced  by  the  physical conditions  under  which  combination  is  taking  place. On  the  view  that  the  attraction  between  the atoms  in  a  chemical  compound  is  electrical  in  its origin,  the  ability  of  an  element  to  enter  into chemical  combination  depends  upon  its  atom  hav- ing the  power  of  acquiring  a  charge  of  electricity. This,  on  the  preceding  view,  implies  either  that  the uncharged  atom  is  unstable  and  has  to  lose  one  or more  corpuscles  before  it  can  get  into  a  steady state,  or  else  that  it  is  so  stable  that  it  can  retain one  or  more  additional  corpuscles  without  any  of the  original  corpuscles  being  driven  out.  If  the range  of  stability  is  such  that  the  atom,  though stable  when  uncharged,  becomes  unstable  when  it receives  an  additional  corpuscle,  the  atom  will  not be  able  to  receive  a  charge  either  of  positive  or negative  electricity,  and  will  therefore  not  be  able to  enter  into  chemical  combination.  Such  an  atom would  have  the  properties  of  the  atoms  of  such elements  as  argon  or  helium.
 
 
CONSTITUTION  OF  THE  ATOM  133
 
The  view  that  the  forces  which  bind  together the  atoms  in  the  molecules  of  chemical  compounds are  electrical  in  their  origin,  was  first  proposed by  Berzelius ;  it  was  also  the  view  of  Davy  and  of Faraday.  Helmholtz,  too,  declared  that  the mightiest  of  the  chemical  forces  are  electrical  in their  origin.  Chemists  in  general  seem,  however, to  have  made  but  little  use  of  this  idea,  having apparently  found  the  conception  of  "bonds  of affinity"  more  fruitful.  This  doctrine  of  bonds is,  however,  when  regarded  in  one  aspect  almost identical  with  the  electrical  theory.  The  theory of  bonds  when  represented  graphically  supposes that  from  each  univalent  atom  a  straight  line (the  symbol  of  a  bond)  proceeds;  a  divalent atom  is  at  the  end  of  two  such  lines,  a  trivalent atom  at  the  end  of  three,  and  so  on ;  and  that when  the  chemical  compound  is  represented  by  a graphic  formula  in  this  way,  each  atom  must  be at  the  end  of  the  proper  number  of  the  lines which  represent  the  bonds.  Now,  on  the  electrical view  of  chemical  combination,  a  univalent  atom has  one  unit  charge,  if  we  take  as  our  unit  of charge  the  charge  on  the  corpuscle ;  the  atom  is therefore  the  beginning  or  end  of  one  unit  Fara- day tube :  the  beginning  if  the  charge  on  the
 
 
134  ELECTRICITY    AND    MATTEB
 
atom  is  positive,  the  end  if  the  charge  is  nega- tive. A  divalent  atom  has  two  units  of  charge  and therefore  it  is  the  origin  or  termination  of  two unit  Faraday  tubes.  Thus,  if  we  interpret  the "bond"  of  the  chemist  as  indicating  a  unit  Fara- day tube,  connecting  charged  atoms  in  the  mole- cule, the  structural  formulae  of  the  chemist  can be  at  once  translated  into  the  electrical  theory. There  is,  however,  one  point  of  difference  which deserves  a  little  consideration :  the  symbol  indi- cating a  bond  on  the  chemical  theory  is  not  re- garded as  having  direction  ;  no  difference  is  made on  this  theory  between  one  end  of  a  bond  and the  other.  On  the  electrical  theory,  however,  there is  a  difference  between  the  ends,  as  one  end  cor- responds to  a  positive,  the  other  to  a  negative charge.  An  example  or  two  may  perhaps  be  the easiest  way  of  indicating  the  effect  of  this  consid- eration. Let  us  take  the  gas  ethane  whose  structu- ral formula  is  written
 
 
According  to  the  chemical  view  there  is  no  differ-
 
 
CONSTITUTION    OF  THE    ATOM  135
 
ence  between  the  two  carbon  atoms  in  this  com- pound ;  there  would,  however,  be  a  difference  on the  electrical  view.  For  let  us  suppose  that  the hydrogen  atoms  are  all  negatively  electrified;  the three  Faraday  tubes  going  from  the  hydrogen  atoms to  each  carbon  atom  give  a  positive  charge  of three  units  on  each  carbon  atom.  But  in  addition to  the  Faraday  tubes  coming  from  the  hydrogen atoms,  there  is  one  tube  which  goes  from  one  car- bon atom  to  the  other.  This  means  an  additional positive  charge  on  one  carbon  atom  and  a  nega- tive charge  on  the  other.  Thus,  one  of  the  carbon atoms  will  have  a  charge  of  four  positive  units, while  the  other  will  have  a  charge  of  three  positive and  one  negative  unit,  i.e.,  two  positive  units ;  so that  on  this  view  the  two  carbon  atoms  are  not  in the  same  state.  A  still  greater  difference  must exist  between  the  atoms  when  we  have  what  is called  double  linking,  i.e.,  when  the  carbon  atoms are  supposed  to  be  connected  by  two  bonds,  as  in the  compound
 
 
136  ELECTRICITY    AND    MATT  K II
 
Here,  if  one  carbon  atom  had  a  charge  of  four  posi- tive units,  the  other  would  have  a  charge  of  two positive  and  two  negative  units.
 
We  might  expect  to  discover  such  differences as  are  indicated  by  these  considerations  by  the  in- vestigation of  which  are  known  as  additive  prop- erties, i.e,  properties  which  can  be  calculated when  the  chemical  constitution  of  the  molecule is  known.  Thus,  let  A  B  C  represent  the  atoms  of three  chemical  elements,  then  if  p  is  the  value  of some  physical  constant  for  the  molecule  of  .  I ,, q  the  value  for  13 %,  and  r  for  6'2,  then  if  this  con- stant obeys  the  additive  law,  its  value  for  a  mole- cule of  the  substance  whose  chemical  composition is  represented  by  the  formula  A&  J2y  Cz  is
 
\px-\r\qy-\-\rz.
 
We  can  only  expect  relations  like  this  to  hold  when the  atoms  which  occur  in  the  different  compounds corresponding  to  different  values  of  x  y  z  are the  same.  If  the  atom  A  occurs  in  different  states in  different  compounds  we  should  have  to  use different  values  of  p  for  these  compounds.
 
A  well-known  instance  of  the  additive  prop- erty is  the  refractive  power  of  different  substances for  light,  and  in  this  case  chemists  find  it  neces-
 
 
CONSTITUTION    OP    THE    ATOM  137
 
sary  to  use  different  values  for  the  refraction  due a  carbon  atom  according  as  the  atom  is  doubly  or singly  linked.  They  use,  however,  the  same  value for  the  refraction  of  the  carbon  atom  when  singly linked  with  another  atom  as  when,  as  in  the  com- pound G  HI,  it  is  not  linked  with  another  carbon atom  at  all.
 
It  may  be  urged  that  although  we  can  conceive that  one  atom  in  a  compound  should  be  positively and  the  other  negatively  electrified  when  the atoms  are  of  different  kinds,  it  is  not  easy  to  do so  when  the  atoms  are  of  the  same  kind,  as  they are  in  the  molecules  of  the  elementary  gases HI,  OK  JVj  and  so  on.  With  reference  to  this point  we  may  remark  that  the  electrical  state  of an  atom,  depending  as  it  does  on  the  power  of the  atom  to  emit  or  retain  corpuscles,  may  be  very largely  influenced  by  circumstances  external  to the  atom.  Thus,  for  an  example,  an  atom  in  a  gas when  surrounded  by  rapidly  moving  atoms  or corpuscles  which  keep  striking  against  it  may have  corpuscles  driven  out  of  it  by  these  collisions and  thus  become  positively  electrified.  On  the other  hand,  we  should  expect  that,  ceteris  paribus, the  atom  would  be  less  likely  to  lose  a  corpuscle when  it  is  in  a  gas  than  when  in  a  solid  or  a
 
 
138  ELECTRICITY  AND    MATTER
 
liquid.  For  when  in  a  gas  after  a  corpuscle  has just  left  the  atom  it  has  nothing  beyond  its  own velocity  to  rely  upon  to  escape  from  the  attraction of  the  positively  electrified  atom,  since  the  other atoms  are  too  far  away  to  exert  any  forces  upon it.  When,  however,  the  atom  is  in  a  liquid  or  a solid,  the  attractions  of  the  other  atoms  which crowd  round  this  atom  may,  when  once  a  corpus- cle has  left  its  atom,  help  it  to  avoid  falling back  again  into  atom.  As  an  instance  of  this effect  we  may  take  the  case  of  mercury  in  the liquid  and  gaseous  states.  In  the  liquid  state mercury  is  a  good  conductor  of  electricity.  One way  of  regarding  this  electrical  conductivity  is to  suppose  that  corpuscles  leave  the  atoms  of  the mercury  and  wander  about  through  the  inter- stices between  the  atoms.  These  charged  cor- puscles when  acted  upon  by  an  electric  force are  set  in  motion  and  constitute  an  electric  cur- rent, the  conductivity  of  the  liquid  mercury  in- dicating the  presence  of  a  large  number  of  cor- puscles. When,  however,  mercury  is  in  the  gaseous state,  its  electrical  conductivity  has  been  shown  by Strutt  to  be  an  exceedingly  small  fraction  of  the conductivity  possessed  by  the  same  number  of molecules  when  gaseous.  We  have  thus  indications
 
 
CONSTITUTION    OF  THE    ATOM  139
 
that  the  atoms  even  of  an  electro-positive  sub- stance like  mercury  may  only  lose  comparatively few  corpuscles  when  in  the  gaseous  state.  Sup- pose then  that  we  had  a  great  number  of  atoms all  of  one  kind  in  the  gaseous  state  and  thus  mov- ing about  and  coming  into  collision  with  each other;  the  more  rapidly  moving  ones,  since  they would  make  the  most  violent  collisions,  would  be more  likely  to  lose  corpuscles  than  the  slower ones.  The  faster  ones  would  thus  by  the  loss  of their  corpuscles  become  positively  electrified, while  the  corpuscles  driven  off  would,  if  the atoms  were  not  too  electro-positive  to  be  able  to retain  a  negative  charge  even  when  in  the  gase- ous state,  tend  to  find  a  home  on  the  more  slowly moving  atoms.  Thus,  some  of  the  atoms  would get  positively,  others  negatively  electrified,  and those  with  changes  of  opposite  signs  would  com- bine to  form  a  diatomic  molecule.  This  argu- ment would  not  apply  to  very  electro-positive gases.  These  we  should  not  expect  to  form  mole- cules, but  since  there  would  be  many  free  cor- puscles in  the  gas  we  should  expect  them  to possess  considerable  electrical  conductivity.
 
 
==CHAPTER  VI==
 
RADIO-ACTIVITY  AND  RADIO-ACTIVE  SUB- STANCES
 
IN  1896  Becquerel  discovered  that  uranium and  its  salts  possess  the  power  of  giving  out  rays which,  like  Rontgen  and  cathode  rays,  affect  a photographic  plate,  and  make  a  gas  through  which they  pass  a  conductor  of  electricity.  In  1898 Schmidt  discovered  that  thorium  possesses  similar properties.  This  power  of  emitting  rays  is  called radio-activity,  and  substances  which  possess  the power  are  said  to  be  radio-active.
 
This  property  of  uranium  led  to  a  careful  ex- amination of  a  large  number  of  minerals  contain- ing this  substance,  and  M.  and  Mme.  Curie  found that  some  of  these,  and  notably  some  specimens  of pitch-blende,  were  more  radio-active  than  equal volumes  of  pure  uranium,  although  only  a  fraction of  these  minerals  consisted  of  uranium.  This  in- dicated that  these  minerals  contained  a  substance or  substances  much  more  radio-active  than  uran- ium itself,  and  a  systematic  attempt  was  made  to
 
 
RADIO-ACTIVE  SUBSTANCES  141
 
isolate  these  substances.  After  a  long  investigation, conducted  with  marvellous  skill  and  perseverance, M.  and  Mme.  Curie,  with  the  collaboration  of  MM. Bemont  and  Debierne,  succeeded  in  establishing the  existence  of  three  new  radio-active  substances in  pitch-blende :  radium  associated  with  the  ba- rium in  the  mineral,  and  closely  resembling  it  in its  chemical  properties ;  polonium  associated  with the  bismuth,  and  actinium  with  the  thorium.  They succeeded  in  isolating  the  first  of  these  and  deter- mined its  combining  weight,  which  was  found  to  be 225.  Its  spectrum  has  been  discovered  and  exam- ined by  Demarcay.  Neither  polonium  nor  actinium has  yet  been  isolated,  nor  have  their  spectra been  observed.  The  activity  of  polonium  has been  found  to  be  fugitive,  dying  away  in  some months  after  its  preparation.
 
These  radio-active  substances  are  not  confined to  rare  minerals.  I  have  lately  found  that  many specimens  of  water  from  deep  wells  contain  a radio-active  gas,  and  Elster  and  Geitel  have  found that  a  similar  gas  is  contained  in  the  soil.
 
These  radio-active  substances  may  be  expected to  be  of  the  greatest  possible  assistance  in  the  task of  investigating  problems  dealing  with  the  nature of  the  atom,  and  with  the  changes  that  go  on  in
 
 
142  ELECTRICITY    AND    MATTER
 
the  atom  from  time  to  time.  For  the  properties possessed  by  these  substances  are  so  marked  as  to make  the  detection  of  exceedingly  minute  quanti- ties of  them  a  matter  of  comparative  ease.  The quantity  of  these  substances  which  can  be  detected is  to  the  corresponding  amount  of  the  other  ele- ments which  have  to  be  detected  by  the  ordinary methods  of  chemical  analysis,  in  the  proportion  of a  second  to  thousands  of  years.  Thus,  changes which  would  have  to  go  on  for  almost  geological epochs  with  the  non-radio-active  substances,  be- fore they  became  large  enough  to  be  detected, could  with  radio-active  substances  prove  appreci- able effects  in  the  course  of  a  few  hours.
 
Character  of  the  Radiation
 
Rutherford  found  that  the  radiation  from  uran ium,  and  it  has  subsequently  been  found  that  the same  is  true  for  thorium  and  radium,  is  made  up of  three  distinct  types  which  he  calls  the  a,  /3,  and y  radiations.
 
The  a  radiation  is  very  easily  absorbed,  being unable  to  penetrate  more  than  a  few  millimetres of  air  at  atmospheric  pressure,  the  /8  radiation  is much  more  penetrating,  while  the  y  radiation  is the  most  penetrating  of  all.  Investigations  of  the
 
 
RADIO-ACTIVE    SUBSTANCES  143
 
effects  of  magnetic  and  electric  forces  on  these three  types  of  radiation  have  shown  that  they  are of  entirely  different  characters.  Becquerel  showed that  the  ft  rays  were  deflected  by  electric  and  mag- netic forces,  the  direction  of  the  deflection  show- ing that  the  rays  carried  a  charge  of  negative  elec- tricity. He  determined,  using  the  method  described
 
in  Chapter  IV,  the  value  of  —,  the  ratio  of  the
 
m
 
charge  to  the  mass  of  the  carriers  of  the  negative electricity ;  he  found  that  it  was  about  10T,  and  that the  velocity  for  some  of  the  rays  was  more  than two- third s  that  of  light.  He  thus  proved  that  the ft  rays  consisted  of  corpuscles  travelling  at  prodig- ious speeds.
 
The  a  rays  are  not  nearly  so  easily  deflected  as the  ft  rays,  but  Rutherford  has  recently  shown that  they  can  be  deflected,  and  the  direction  of deflection  shows  that  they  carry  a,  positive  charge. He  finds,  and  his  measurements  have  been  con
 
firmed  by  Des  Coudres,  that  the  ratio  of  —  is  6  X
 
m
 
103,  and  the  velocity  of  these  particles  is  2  X  10* centimetres  per  second.  The  value  of  —  shows  that the  carriers  of  the  positive  electrification  have
 
 
!44  ELECTRICITY    AND    MATTER
 
masses  comparable  with  those  of  ordinary  atoms ;
 
thus  —  for  hydrogen  is  104  and  for  helium  2.5  X m
 
103.  The  very  high  velocity  with  which  these  are shot  out  involves  an  enormous  expenditure  of  en- ergy, a  point  to  which  we  shall  return  later.  One of  the  most  interesting  things  about  this  result  is
 
that  the  value  of  —  shows  that  the  atoms  shot  off m
 
are  not  the  atoms  of  radium,  indicating  either  that radium  is  a  compound  containing  lighter  elements or  else  that  the  atom  of  radium  is  disintegrating
 
into  such  elements.    The  value  of  —    for  the  a
 
m
 
rays  obtained  by  Rutherford  and  Des  Coudres suggests  the  existence  of  a  gas  heavier  than  hy- drogen but  lighter  than  helium.  The  y  rays,  as far  as  we  know,  are  not  deflected  either  by  mag- netic or  electric  forces.
 
There  is  considerable  resemblance  between  a radio-active  substance  and  a  substance  emitting secondary  radiation  under  the  influence  of  Ront- gen  rays :  the  secondary  radiation  is  known  to contain  radiation  of  the  ($  and  y  types ;  and  as part  of  the  radiation  is  exceedingly  easily  absorbed, being  unable  to  penetrate  more  than  a  millimetre or  so  of  air  at  atmospheric  pressure,  it  is  possible
 
 
RADIO-ACTIVE    SUBSTANCES  145
 
that  closer  investigation  may  show  that  a  rays,  i.e.j positively  electrified  particles,  are  present  also. This  analogy  raises  the  question  as  to  whether there  may  not,  in  the  case  of  the  body  struck  by the  Rbntgen  rays,  be  a  liberation  of  energy such  as  we  shall  see  occurs  in  the  case  of  the radio-active  substances,  the  energy  emitted  by  the radiating  substances  being  greater  than  the  energy in  the  Rontgen  rays  falling  upon  it ;  this  excess  of energy  being  derived  from  changes  taking  place in  the  atoms  of  the  body  exposed  to  the  Rontgen rays.  This  point  seems  worthy  of  investigation, for  it  might  lead  to  a  way  of  doing  by  external agency  what  radio-active  bodies  can  do  spontane- ously, i.e.,  liberate  the  energy  locked  up  in  the atom.
 
Emanation  from  Radio-Active  Substances
 
Rutherford  proved  that  thorium  emits  some- thing which  is  radio-active  and  which  is  wafted about  by  currents  of  air  as  if  it  were  a  gas ;  in order  to  avoid  prejudging  the  question  as  to  the physical  state  in  which  the  substance  given  off  by radium  exists,  Rutherford  called  it  the  "  emana- tion." The  emanation  can  pass  through  water  or the  strongest  acid  and  can  be  raised  to  tempera-
 
 
146  ELECTRICITY  AND  MATTER
 
tures  at  which  platinum  is  incandescent  without suffering  any  loss  of  radio-activity.  In  this  inertness it  resembles  the  gases  argon  and  helium,  the  latter of  which  is  almost  always  found  associated  with thorium.  The  radio-activity  of  the  thorium  emana- tion is  very  transient,  sinking  to  half  its  value  in about  one  minute.
 
The  Curies  found  that  radium  also  gives  off a  radio-active  emanation  which  is  much  more persistent  than  that  given  off  by  thorium,  taking about  four  days  to  sink  to  half  its  activity.
 
There  seems  every  reason  for  thinking  that those  emanations  are  radio-active  matter  in  the gaseous  form ;  they  can  be  wafted  from  one  place to  another  by  currents  of  air  ;  like  a  gas  they  dif- fuse through  a  porous  plug  at  a  rate  which  shows that  their  density  is  very  high.  They  diffuse gradually  through  air  and  other  gases.  The  coeffi- cient of  diffusion  of  the  radium  emanation  through air  has  been  measured  by  Rutherford  and  Miss Brooks  and  they  concluded  that  the  density  of the  emanation  was  about  eighty.  The  emanation of  radium  has  been  liquefied  by  Rutherford  and Soddy ;  and  I  have,  by  the  kindness  of  Professor Dewar,  been  able  to  liquefy  the  radio-active  gas found  in  water  from  deep  wells,  which  very
 
 
RADIO-ACTIVE    SUBSTANCES  147
 
closely  resembles  the  emanation  and  is  quite possibly  identical  with  it.  In  short  the  emana- tions seem  to  satisfy  every  test  of  the  gaseous state  that  can  be  applied  to  them.  It  is  true that  they  are  not  capable  of  detection  by  any chemical  tests  of  the  ordinary  type,  nor  can  they be  detected  by  spectrum  analysis,  but  this  is  only because  they  are  present  in  very  minute  quantities — quantities  far  too  small  to  be  detected  even  by spectrum  analysis,  a  method  of  detection  which  is exceedingly  rough  when  compared  with  the  elec- trical methods  which  we  are  able  to  employ  for radio-active  substances.  It  is  not,  I  think,  an  ex- aggeration to  say  that  it  is  possible  to  detect  with certainty  by  the  electrical  method  a  quantity  of  a radio-active  substance  less  than  one-hundred-thou- sandth part  of  the  least  quantity  which  could  be detected  by  spectrum  analysis.
 
Each  portion  of  a  salt  of  radium  or  thorium  is giving  off  the  emanation,  whether  that  portion  be on  the  inside  or  the  outside  of  the  salt;  the emanation  coming  from  the  interior  of  a  salt,  how- ever, does  not  escape  into  the  air,  but  gets  entangled in  the  salt  and  accumulates.  If  such  a  radio- active salt  is  dissolved  in  water,  there  is  at  first  a great  evolution  of  the  emanation  which  has  been
 
 
148  ELECTRICITY    AND    MATTER
 
stored  up  in  the  solid  salt.  The  emanation  can  be extracted  from  the  water  either  by  boiling  the water  or  bubbling  air  through  it.  The  stored  up emanation  can  also  be  driven  off  from  salts  in  the solid  state  by  raising  them  to  a  very  high  tem- perature.
 
Induced  Radio-Activity
 
Kutherford  discovered  that  substances  exposed to  the  emanation  from  thorium  become  radio-active, and  the  Curies  discovered  almost  simultaneously that  the  same  property  is  possessed  by  the  emana- tion from  radium.  This  phenomenon  is  called  in- duced radio-activity.  The  amount  of  induced radio-activity  does  not  depend  upon  the  nature  of the  substance  on  which  it  is  induced ;  thus,  paper becomes  as  radio-active  as  metal  when  placed in  contact  with  the  emanations  of  thorium  or radium.
 
The  induced  radio-activity  is  especially  de- veloped on  substances  which  are  negatively  elec- trified. Thus,  if  the  emanation  is  contained  in  a closed  vessel,  in  which  a  negatively  electrified  wire is  placed,  the  induced  radio-activity  is  concentrated on  the  negatively  electrified  wire,  and  this  induced activity  can  be  detected  on  negatively  electrified
 
 
RADIO-ACTIVE    SUBSTANCES  ^49
 
bodies  when  it  is  too  weak  to  be  detected  on  un- electrified  surfaces.  The  fact  that  the  nature  of the  induced  radio-activity  does  not  depend  on  the substance  in  which  it  is  induced  points  to  its  being due  to  a  radio-active  substance  which  is  deposited from  the  emanation  on  substances  with  which  it comes  in  contact.
 
Further  evidence  of  this  is  afforded  by  an  ex- periment made  by  Miss  Gates,  in  which  the  in- duced radio-activity  on  a  fine  wire  was,  by  raising it  to  incandescence,  driven  off  the  wire  and  de- posited on  the  surrounding  surfaces.  The  induced radio-activity  due  to  the  thorium  emanation  is very  different  from  that  due  to  the  radium  emana- tion, for  whereas  the  activity  of  the  thorium  ema- nation is  so  transient  that  it  drops  to  half  its value  in  one  minute,  the  induced  radio-activity due  to  it  takes  about  eleven  hours  to  fall  in  the same  proportion.  The  emanation  due  to  radium, which  is  much  more  lasting  than  the  thorium emanation,  taking  about  four  days  instead  of  one minute  to  fall  to  half  its  value,  gives  rise  to  a  very much  less  durable  induced  radio-activity,  one  fall, ing  to  half  its  value  in  about  forty  minutes  instead of,  as  in  the  case  of  thorium,  eleven  hours.  The emanation  due  to  actinium  is  said  only  to  be  active
 
 
150  ELECTRICITY  AND  MATTER
 
for  a  few  seconds,  but  the  induced  radio-activity due  to  it  seems  to  be  nearly  as  permanent  as  that due  to  radium.
 
Separation  of  the  Active  Constituent  from  Thorium
 
Rutherford  and  Soddy,  in  a  most  interesting and  important  investigation,  have  shown  that  the radio-activity  of  thorium  is  due  to  the  passage  of the  thorium  into  a  form  which  they  call  T  h  X, which  they  showed  could  be  separated  from  the rest  of  the  thorium  by  chemical  means.  When  this separation  has  been  effected  the  thorium  left  be- hind is  for  a  time  deprived  of  most  of  its  radio-activ- ity, which  is  now  to  be  found  in  the  T  h  X.  The radio-activity  of  the  thorium  X  slowly  decays  while that  of  the  rest  of  the  thorium  increases  until  it has  recovered  its  original  activity.  While  this  has been  going  on,  the  radio-activity  of  the  Th  JThas vanished.  The  time  taken  for  the  radio-activity of  the  T  h  X  to  die  away  to  half  its  original  value has  been  shown  by  Rutherford  and  Soddy  to  be equal  to  the  time  taken  by  the  thorium  from  which the  T  7i  X  has  been  separated  to  recover  half  its original  activity.  All  these  results  support  the view  that  the  radio-active  part  of  the  thorium,  the thorium  X,  is  continually  being  produced  from  the
 
 
RADIO-ACTIVE    SUBSTANCES  151
 
thorium  itself ;  so  that  if  the  activity  of  thorium X  were  permanent,  the  radio-activity  of  the  tho- rium would  continually  increase.  The  radio-activ. ity  of  the  thorium  X,  however,  steadily  dies  away. This  prevents  the  unlimited  increase  of  the  radio- activity of  the  mixture,  which  will  reach  a  steady value  when  the  increase  in  the  radio-activity  due to  the  production  of  fresh  T  h  X  is  balanced  by the  decay  in  the  activity  of  that  already  produced. The  question  arises  as  to  what  becomes  of  the Tli  X  and  the  emanation  when  they  have  lost  their radio-activity.  This  dead  ThX,  as  we  may  call it,  is  accumulating  all  the  time  in  the  thorium; but  inasmuch  as  it  has  lost  its  radio-activity,  we have  only  the  ordinary  methods  of  chemical  analy- sis to  rely  upon,  and  as  these  are  almost  infinitely less  delicate  than  the  tests  we  can  apply  to  radio- active  substances,  it  might  take  almost  geological epochs  to  accumulate  enough  of  the  dead  TJiX to  make  detection  possible  by  chemical  analysis. It  seems  possible  that  a  careful  examination  of  the minerals  in  which  thorium  and  radium  occur might  yield  important  information.  It  is  remark- able that  helium  is  almost  invariably  a  constitu- ent of  these  minerals.
 
You  will  have  noticed  how  closely,  as  pointed
 
 
152  ELECTRICITY    AND  MATTER
 
out  by  Rutherford  and  Soddy,  the  production  of radio-activity  seems  connected  with  changes  tak- ing place  in  the  radio-active  substance.  Thus,  to take  the  case  of  thorium,  which  is  the  one  on which  we  have  the  fullest  information,we  have  first the  change  of  thorium  into  thorium  X,  then  the change  of  the  thorium  X  into  the  emanation  and the  substance  forming  the  a  rays.  The  radio- activity of  the  emanation  is  accompanied  by  a  fur- ther transformation,  one  of  the  products  being  the substance  which  produces  induced  radio-activity.
 
On  this  view  the  substance  while  radio-active is  continually  being  transformed  from  one  state to  another.  These  transformations  may  be  ac- companied by  the  liberation  of  sufficient  energy to  supply  that  carried  off  by  the  rays  it  emits while  radio-active.  The  very  large  amount  of energy  emitted  by  radio-active  substances  is  strik- ingly shown  by  some  recent  experiments  of  the Curies  on  the  salts  of  radium.  They  find  that  those salts  give  out  so  much  energy  that  the  absorption of  this  by  the  salt  itself  is  sufficent  to  keep  the temperature  of  the  salt  permanently  above  that  of the  air  by  a  very  appreciable  amount — in  one  of their  experiments  as  much  as  1.5°  C.  It  appears from  their  measurements  that  a  gram  of  radium
 
 
RADIO-ACTIVE    SUBSTANCES  153
 
gives  out  enough  energy  per  hour  to  raise  the temperature  of  its  own  weight  of  water  from  the freezing  to  the  boiling  point.  This  evolution  of energy  goes  on  uninterruptedly  and  apparently without  diminution.  If,  however,  the  views  we have  just  explained  are  true,  this  energy  arises from  the  transformation  of  radium  into  other forms  of  matter,  and  its  evolution  must  cease  when the  stock  of  radium  is  exhausted ;  unless,  indeed, this  stock  is  continually  being  replenished  by  the transformation  of  other  chemical  elements  into radium.
 
We  may  make  a  rough  guess  as  to  the  probable duration  of  a  sample  of  radium  by  combining  the result  that  a  gram  of  radium  gives  out  100 calories  per  hour  with  Rutherford's  result  that the  a  rays  are  particles  having  masses  comparable with  the  mass  of  an  atom  of  hydrogen  projected with  a  velocity  of  about  2  X  109  centimetres  per second  ;  for  let  us  suppose  that  the  heat  measured by  the  Curies  is  due  to  the  bombardment  of  the radium  salt  by  these  particles,  and  to  get  a superior  limit  to  the  time  the  radium  will  last, let  us  make  the  assumption  that  the  whole  of  the mass  of  radium  gets  transformed  into  the  a  par- ticles (as  a  matter  of  fact  we  know  that  the  emana-
 
 
154  ELECTRICITY  AND  MATTER
 
tion  is  produced  as  well  as  the  a  particles).  Let a?  be  the  life  in  hours  of  a  grain  of  radium  ; then  since  the  gram  emits  per  hour  100  calories, or  4.2  X  109  ergs,  the  amount  of  energy  emitted  by the  radium  during  its  life  is  x  X  4.2  X  109  ergs. If  jVis  the  number  of  a  particles  emitted  in  this time,  m  the  mass  of  one  of  them  in  grams,  v the  velocity,  then  the  energy  in  the  a  particles  is J  Nmv*,  but  this  is  to  be  equal  to  a?  X  4.2  X  10* ergs,  hence  £  Nm  v*  =  x  X  4.2  X  109 ;  but  if  the gram  of  radium  is  converted  into  the  a  particles, Nm  =  1,  and  by  Rutherford's  experiments  v  =  2
 
4  V  1018        10' X  10',  hence  we  have  «  =  | Jg  *  ^  =  g
 
hours,  or  about  50,000  years.
 
From  this  estimate  we  should  expect  the  life of  a  piece  of  radium  to  be  of  the  order  of  50,000 years.  This  result  shows  that  we  could  not expect  to  detect  any  measurable  changes  in  the space  of  a  few  months.  In  the  course  of  its  life the  gram  of  radium  will  have  given  out  about 5  X  1010  calories,  a  result  which  shows  that  if  this energy  is  derived  from  transformations  in  the state  of  the  radium,  the  energy  developed  in  these transformations  must  be  on  a  very  much  greater scale  than  that  developed  in  any  known  chemical
 
 
RADIO-ACTIVE    SUBSTANCES  155
 
reactions.  On  the  view  we  have  taken  the  differ- ence between  the  case  of  radium  and  that  of  or- dinary chemical  reactions  is  that  in  the  latter  the changes  are  molecular,  while  in  the  case  of  ra- dium the  changes  are  atomic,  being  of  the  nature of  a  decomposition  of  the  elements.  The  example given  on  page  (111)  shows  how  large  an  amount of  energy  may  be  stored  up  in  the  atom  if  we  re- gard it  as  built  up  of  a  number  of corpuscles.
 
We  may,  I  think,  get  some  light  on  the processes going  on  in  radium  by considering  the  behavior of a  model  atom  of  the  kind  described  on  page 124,  and  which  may  be  typified  by  the  case  of the  corpuscles  which  when  rotating  with  a  high velocity  are  stable  when  arranged  in  a  certain way,  which  arrangement  becomes  unstable  when the  energy  sinks  below  a  certain  value  and  is succeeded  by  another  configuration.  A  top  spin- ning about  a  vertical  axis  is  another  model  of  the same  type.  This  is  stable  when  in  a  vertical position  if  the  kinetic  energy  due  to  its  rotation exceeds  a  certain  value.  If  this  energy  were gradually  to  decrease,  then,  when  it  reached  the critical  value,  the  top  would  become  unstable  and would  fall  down,  and  in  so  doing  would  give  a considerable  amount  of  kinetic  energy.
 
 
156  ELECTRICITY    AND  MATTER
 
Let  us  follow,  then,  the  behavior  of  an  atom  of this  type,  i.e.,  one  which  is  stable  in  one  configura- tion of  steady  motion  when  the  kinetic  energy  of the  corpuscles  exceeds  a  certain  value,  but  be- comes unstable  and  passes  into  a  different  config- uration when  the  kinetic  energy  sinks  below  that value.  Suppose  now  that  the  atom  starts  with  an amount  of  kinetic  energy  well  above  the  critical value,  the  kinetic  energy  will  decrease  in  conse- quence of  the  radiation  from  the  rapidly  moving corpuscles ;  but  as  long  as  the  motion  remains steady  the  rate  of  decrease  will  be  exceedingly slow,  and  it  may  be  thousands  of  years  before  the energy  approaches  the  critical  value.  When  it  gets close  to  this  value,  the  motion  will  be  very  easily disturbed  and  there  will  probably  be  considerable departure  from  the  configuration  for  steady  motion accompanied  by  a  great  increase  in  the  rate  at which  kinetic  energy  is  loss  by  radiation.  The  atom now  emits  a  much  greater  number  of  rays  and  the kinetic  energy  rapidly  approaches  the  critical value ;  when  it  reaches  this  value  the  crash  comes, the  original  configuration  is  broken  up,  there  is  a great  decrease  in  the  potential  energy  of  the  sys- tem accompanied  by  an  equal  increase  in  the kinetic  energy  of  the  corpuscles.  The  increase  in
 
 
RADIO-ACTIVE  SUBSTANCES  157
 
the  velocity  of  the  corpuscles  may  cause  the  dis- ruption of  the  atom  into  two  or  more  systems,  cor- responding to  the  emission  of  the  a  rays  and the  emanation.
 
If  the  emanation  is  an  atom  of  the  same  type as  the  original  atom,  i.e.,  one  whose  configuration for  steady  motion  depends  on  its  kinetic  energy, the  process  is  repeated  for  the  emanation,  but  in  a very  much  shorter  time,  and  is  repeated  again  for the  various  radio-active  substances,  such  as  the induced  radio-active  substance  formed  out  of  the emanation.
 
We  have  regarded  the  energy  emitted  by radium  and  other  radio-active  substances  as  de- rived from  an  internal  source,  i.e.,  changes  in  the constitution  of  the  atom ;  as  changes  of  this  kind have  not  hitherto  been  recognized,  it  is  desirable to  discuss  the  question  of  other  possible  sources of  this  energy.  One  source  which  at  once  sug- gests itself  is  external  to  the  radium.  We  might suppose  that  the  radium  obtained  its  energy  by absorbing  some  form  o£  radiation  which  is  passing through  all  bodies  on  the  surface  of  the  earth, but  which  is  not  absorbed  to  any  extent  by  any but  those  which  are  radio-active.  This  radiation must  be  of  a  very  penetrating  character,  for  radium
 
 
158  ELECTRICITY    AND    MATTER
 
retains  its  activity  when  surrounded  by  thick  lead or  when  placed  in  a  deep  cellar.  We  are  familiar with  forms  of  Rontgen  rays,  and  of  rays  given out  by  radium  itself,  which  can  produce  appreci- able effects  after  passing  through  several  inches  of lead,  so  that  the  idea  of  the  existence  of  very  pene- trating radiation  does  not  seem  so  improbable  as  it would  have  done  a  few  years  ago.  It  is  interest- ing to  remember  that  very  penetrating  radiation was  introduced  by  Le  Sage  more  than  a  century ago  to  explain  gravitation.  Le  Sage  supposed that  the  universe  was  thronged  with  exceedingly small  particles  moving  with  very  high  velocities. He  called  these  ultra-mundane  corpuscles  and  as- sumed that  they  were  so  penetrating  that  they could  pass  through  masses  as  large  as  the  sun  or the  planets  without  suffering  more  than  a  very slight  absorption.  They  were,  however,  absorbed to  a  slight  extent  and  gave  up  to  the  bodies through  which  they  passed  a  small  fraction  of their  momentum.  If  the  direction  of  the  ultra- mundane corpuscles  passing  through  a  body  were uniformly  distributed,  the  momentum  communi- cated by  them  to  the  body  would  not  tend  to  move it  in  one  direction  rather  than  another,  so  that a  body  A  alone  in  the  universe  and  exposed  to
 
 
RADIO-ACTIVE    SUBSTANCES  159
 
bombardment  by  Le  Sage's  corpuscles  would  re- main at  rest ;  if,  however,  there  is  a  second  body B  in  the  neighborhood  of  A,  B  will  shield  off from  A  some  of  the  corpuscles  moving  in  the direction  B  A  ;  thus,  A  will  not  receive  as  much momentum  in  this  direction  as  it  did  when  it  was alone  in  the  field,  but  in  the  latter  case  it  only  re- ceived enough  momentum  in  this  direction  to  keep it  in  equilibrium ;  hence,  when  B  is  present,  the momentum  in  the  opposite  direction  will  get  the upper  hand  so  that  A  will  move  in  the  direction, A  B,  i.e.,  will  be  attracted  to  B.  Maxwell  pointed out  that  this  transference  of  momentum  from  Le Sage's  corpuscles  to  the  body  through  which  they were  passing  involved  the  loss  of  kinetic  energy by  the  corpuscles  ;  and  that  if  the  loss  of  momen- tum were  sufficient  to  account  for  gravitation, the  kinetic  energy  lost  by  the  ultra-mundane  cor- puscles would  be  sufficient,  if  converted  into  heat, to  keep  the  gravitating  body  white  hot.  The fact  that  all  bodies  are  not  white  hot  was  urged by  Maxwell  as  an  argument  against  Le  Sage's theory.  It  is  not  necessary,  however,  to  suppose that  the  energy  of  the  corpuscles  is  transformed into  heat ;  we  might  imagine  it  transformed  into  a very  penetrating  radiation  which  might  escape
 
 
1(50  ELECTRICITY    AND  MATTER
 
from  the  gravitating  body.  A  simple  calculation will  show  that  the  amount  of  kinetic  energy transformed  per  second  in  each  gram  of  the gravitating  body  must  be  enormously  greater  than that  given  out  in  the  same  time  by  one  gram  of radium.
 
"We  have  seen  in  the  first  chapter  that  waves of  electric  and  magnetic  force  possess  momentum in  their  direction  of  propagation;  we  might  there- fore replace  Le  Sage's  corpuscles  by  very  pene- trating Rontgen  rays.  Those,  if  absorbed,  would give  up  momentum  to  the  bodies  through  which they  pass,  and  similar  consideration  to  those given  by  Le  Sage  would  show  that  two  bodies would  attract  each  other  inversely  as  the  square of  the  distance  between  them.  If  the  absorption of  these  waves  per  unit  volume  depended  only upon,  and  was  proportional  to,  the  density,  the attraction  between  the  bodies  would  be  directly proportional  to  the  product  of  their  masses.  It ought  to  be  mentioned  that  on  this  view  any changes  in  gravitation  would  be  propagated  with the  velocity  of  light;  whereas,  astronomers  be- lieve they  have  established  that  it  travels  with  a very  much  greater  velocity.
 
As  in  the  case  of  Le  Sage's  corpuscles,  the  loss


;Chapter II
:[[Thomson 1904/Chapter 2|Electrical and Bound Mass ]]


RADIO-ACTIVE    SUBSTANCES  IQ±
;Chapter III
:[[Thomson 1904/Chapter 3|Effects Due to the Acceleration of Faraday Tubes ]]


of  momentum  by  the  Rontgen  rays  would  be  ac- companied by  a  loss  of  energy; for  each  unit  of momentum  lost  v  units  of  energy  would  be  lost,  v being  the  velocity  of  light.  If  this  energy  were transformed  into  that  of  rays  of  the  same  type  as the  incident  rays,  a  little  reflection  will  show  that he  absorption  of  the  rays  would  not  produce gravitational  attraction.  To  get  such  attraction the  transformed  rays  must  be  of  a  more  pene- trating type  than  the  original  rays.  Again,  as in  the  case  of  Le  Sage's  corpuscles,  the  absorp- tion of  energy  from  these  rays,  if  they  are  the cause  of  gravitation,  must  be  enormous — so  great that  the  energy  emitted  by  radium  would  be  but an  exceedingly  small  fraction  of  the  energy  being transformed  within  it.  From  these  considerations I  think  that  the  magnitude  of  the  energy  radiated from  radium  is  not  a  valid  argument  against  the energy  being  derived  from  radiation.  The reason which  induces  me  to  think  that  the  source  of  the energy  is  in  the  atom  of  radium  itself  and  not  ex- ternal to  it  is  that  the  radio-activity  of substances is,  in  all  cases  in  which  we  have  been  able  to  local- ize it,  a  transient  property.  No  substance  goes  on being  radio-active  for  very  long.  It  may  be  asked how  can  this  statement  be  reconciled  with  the  fact
;Chapter IV
:[[Thomson 1904/Chapter 4|The Atomic Structure of Electricity]]


;Chapter V
:[[Thomson 1904/Chapter 5|The Constitution of the Atom]]


162  ELECTRICITY    AND    MATTER
;Chapter VI
:[[Thomson 1904/Chapter 6|Radio-Activity and Radio-Active Substances ]]


that  thorium  and  radium  keep  up  their  activity without  any  appreciable  falling  off  with  time. The  answer  to  this  is  that,  as  Rutherford  and Soddy  have  shown  in  the  case  of  thorium,  it  is only  an  exceedingly  small  fraction  of  the  mass which  is  at  any  one  time  radio-active,  and  that  this radio-active  portion  loses  its  activity  in  a  few hours,  and  has  to  be  replaced  by  a  fresh  supply from  the  non-radio-active  thorium.  Take  any  of the  radio-active  substances  we  have  described,  the ThX,  the  emanations  from  thorium  or  radium, the  substance  which  produces  induced  radio- activity, all  these  are  active  for  at  the  most  a  few days  and  then  lose  this  property.  This  is  what we  should  expect  on  the  view  that  the  source  of the  radio-activity  is  a  change  in  the  atom ;  it  is not  what  we  should  expect  if  the  source  were  ex- ternal radiation.
[[category:reference]]

Latest revision as of 13:22, 19 August 2025

Electricity and Matter[1]

J. J. Thomson, D.Sc., LL.D., PH.D., F.R.S.

Fellow of Trinity College, Cambridge; Cavendish Professor of Experimental Physics, Cambridge

With Diagrams

New York

Charles Scribner's Sons 1904

Copyright, 1904 by Yale University

Published, March, 1904

The Silliman Foundation

In the year 1883 a legacy of eighty thousand dollars was left to the President and Fellows of Yale College in the city of New Haven, to be held in trust, as a gift from her children, in memory of their beloved and honored mother Mrs. Hepsa Ely Silliinan.

On this foundation Yale College was requested and directed to establish an annual course of lectures designed to illustrate the presence and providence, the wisdom and goodness of God, as manifested in the natural and moral world. These were to be designated as the Mrs. Hepsa Ely Silliman Memorial Lectures. It was the belief of the testator that any orderly presentation of the facts of nature or history contributed to the end of this foundation more effectively than any attempt to emphasize the elements of doctrine or of creed; and he therefore provided that lectures on dogmatic or polemical theology should be excluded from the scope of this foundation, and that the subjects should be selected rather from the domains of natural science and history, giving special prominence to astronomy, chemistry, geology, and anatomy.

It was further directed that each annual course should be made the basis of a volume to form part of a series constituting a memorial to Mrs. Silliman. The memorial fund came into the possession of the Corporation of Yale University in the year 1902; and the present volume constitutes the first of the series of memorial lectures.


PREFACE

In these Lectures given at Yale University in May, 1903, I have attempted to discuss the bearing of the recent advances made in Electrical Science on our views of the Constitution of Matter and the Nature of Electricity; two questions which are probably so intimately connected, that the solution of the one would supply that of the other. A characteristic feature of recent Electrical Researches, such as the study and discovery of Cathode and Rontgen Rays and Radio-active Substances, has been the very especial degree in which they have involved the relation between Matter and Electricity.

In choosing a subject for the Silliman Lectures, it seemed to me that a consideration of the bearing of recent work on this relationship might be suitable, especially as such a discussion suggests multitudes of questions which would furnish admirable subjects for further investigation by some of my hearers.

Cambridge, Aug., 1903.
J. J. Thomson

CONTENTS

Chapter I
Representation of the Electric Field by Lines of Force
Chapter II
Electrical and Bound Mass
Chapter III
Effects Due to the Acceleration of Faraday Tubes
Chapter IV
The Atomic Structure of Electricity
Chapter V
The Constitution of the Atom
Chapter VI
Radio-Activity and Radio-Active Substances
Retrieved from "https://msterms.org/wiki/index.php?title=Thomson_1904&oldid=22024"