Thomson 1904: Difference between revisions

From Mass Spec Terms
Line 105: Line 105:
RADIO-ACTIVITY  AND  RADIO-ACTIVE  SUB- STANCES
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.
[[Thomson 1904/Chapter 6]]
 
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
 
 
RADIO-ACTIVE    SUBSTANCES  IQ±
 
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
 
 
162  ELECTRICITY    AND    MATTER
 
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.

Revision as of 21:53, 11 August 2025

ELECTRICITY AND MATTER


"

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 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

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 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.

J. J. THOMSON.


CONTENTS

CHAPTER- I

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

Thomson 1904/Chapter 3

CHAPTER IV

THE ATOMIC STRUCTURE OF ELECTRICITY

Thomson 1904/Chapter 4

CHAPTER V

CONSTITUTION OF THE ATOM

Thomson 1904/Chapter 5

CHAPTER VI

RADIO-ACTIVITY AND RADIO-ACTIVE SUB- STANCES

Thomson 1904/Chapter 6