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Contents

1 A New Science of Heat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 Reading: Fourier, The Analytical Theory of Heat . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.2.1 Preliminary Discourse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.3 Study Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.5 Vocabulary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2 Mathematics and Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.2 Reading: Fourier, The Analytical Theory of Heat . . . . . . . . . . . . . . . . 162.2.1 Statement of the Object of the Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.3 Study Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.5 Vocabulary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3 Steam Engines and Heat Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.2 Reading: Carnot, Reflections on the Motive Power of Heat, and on

Machines Fitted to Develop that Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.3 Study Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.5 Vocabulary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4 Carnot’s Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.2 Reading: Carnot, Reflections on the Motive Power of Heat, and on

Machines Fitted to Develop that Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4.3 Study Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

4.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

4.5 Vocabulary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

xix

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xx Contents

5 Engines as Thermometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

5.2 Reading: Kelvin, On an Absolute Thermometric Scale Founded on

Carnot’s Theory of the Motive Power of Heat, and Calculated

from Regnault’s Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

5.3 Study Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

5.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

5.5 Vocabulary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

6 The Second Law of Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

6.2 Reading: Clausius, the Mechanical Theory of Heat . . . . . . . . . . . . . . 71

6.3 Study Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

6.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 796.5 Vocabulary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

7 Work, Heat, and Irreversibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

7.2 Reading: Clausius, The Mechanical Theory of Heat . . . . . . . . . . . . . . 82

7.3 Study Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

7.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

7.5 Vocabulary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

8 Language: Concepts and Conventions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93


8.3 Study Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

8.4 Vocabulary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

9 Energy and Entropy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99


9.3 Study Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1099.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

9.5 Vocabulary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

10 The Kinetic Theory of Gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

10.2 Reading: Maxwell, on the Molecular Theory of the Constitution

of Bodies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

10.2.1 On the Kinetic Theory of Gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

10.2.2 Distribution of Kinetic Energy Between Two DifferentSets of Molecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

10.2.3 Internal Kinetic Energy of a Molecule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

10.2.4 Definition of the Velocity of a Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

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Contents xxi

10.2.5 Theory of the Pressure of a Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

10.2.6 Law of Boyle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

10.2.7 Law of Gay-Lussac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

10.3 Study Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

10.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

10.5 Vocabulary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

11 Molecules and Maxwell’s Demon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

11.2 Reading: Maxwell, on the Molecular Theory of the Constitution

of Bodies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

11.2.1 Law of Charles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

11.2.2 Kinetic Energy of a Molecule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

11.2.3 Specific Heat at Constant Volume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12911.2.4 Molecular Theory of Evaporation and Condensation . . . . . . . 132

11.2.5 Molecular Theory of Electrolysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

11.2.6 Molecular Theory of Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

11.2.7 Limitation of the Second Law of Thermodynamics . . . . . . . . 135

11.2.8 Nature and Origin of Molecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

11.3 Study Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

11.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

11.5 Vocabulary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

12 The Diffusion Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

12.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

12.2 Reading: Maxwell, On the Diffusion of Heat by Conduction . . . . . . . 144

12.2.1 On the Dimensions of k , the Specific Thermal Conductivity . 145

12.2.2 On the Determination of the Thermal Conductivity

of Bodies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

12.2.3 On the Conductivity of Fluids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

12.2.4 Applications of the Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156

12.3 Study Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

12.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

12.5 Vocabulary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

13 Radiant Heat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

13.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

13.2 Reading: Maxwell, On Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

13.2.1 Effect of Radiation on Thermometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

13.3 Study Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175

13.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

13.5 Vocabulary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

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xxii Contents

14 From Positivism to Objectivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181

14.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181

14.2 Reading: Planck, Reversibility and Irreversibility . . . . . . . . . . . . . . . . 182

14.3 Study Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194

14.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196

14.5 Vocabulary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196

15 Entropy, Probability and Atomism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197

15.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197

15.2 Reading: Planck, The Atomic Theory of Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197

15.3 Study Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208

15.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210

15.5 Vocabulary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212

16 Corpuscles of Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213

16.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213

16.2 Reading: Einstein, Concerning a Heuristic Point of View Toward

the Emission and Transformation of Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214

16.2.1 Concerning a Difficulty with Regard to the Theory

of Blackbody Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215

16.2.2 Concerning Planck’s Determination of the Fundamental

Constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218

16.2.3 Concerning the Entropy of Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21816.2.4 Asymptotic Form for the Entropy of Monochromatic

Radiation at Low Radiation Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220

16.2.5 Molecular-Theoretic Investigation of the Dependence of

the Entropy of Gases and Dilute Solutions on the Volume . . 221

16.2.6 Interpretation of the Expression for the Volume

Dependence of the Entropy of Monochromatic Radiation

in Accordance with Boltzmann’s Principle . . . . . . . . . . . . . . . 222

16.2.7 Concerning Stoke’s Rule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223

16.2.8 Concerning the Emission of Cathode Rays Through

the Illumination of Solid Bodies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224

16.2.9 Concerning the Ionization of Gases by Ultraviolet Light . . . . 226

16.3 Study Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227

16.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228

16.5 Vocabulary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229

17 The Discovery of the Electron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231

17.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231

17.2 Reading: Thomson, The Corpuscular Theory of Matter . . . . . . . . . . . 232

17.2.1 Corpuscles in Vacuum Tubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23317.2.2 Deflection of the Rays by a Charged Body . . . . . . . . . . . . . . . 235

17.2.3 Determination of e / m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237

17.2.4 Corpuscles Very Widely Distributed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239

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Contents xxiii

17.2.5 Magnitude of the Electric Charge Carried

by the Corpuscle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239

17.3 Study Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243

17.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244

17.5 Vocabulary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246

18 The Birth of Nuclear Physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247

18.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247

18.2 Reading: Rutherford, The Mass and Velocity of the

α Particles Expelled from Radium and Actinium . . . . . . . . . . . . . . . . . 248

18.2.1 Electric Deflexion of the α Rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250

18.2.2 Theory of the Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252

18.2.3 Results of Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257

18.2.4 Does the Value of em for the α Particle Vary in Its PassageThrough Matter? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259

18.3 Study Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260

18.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260

18.5 Vocabulary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261

19 Radioactivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263

19.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263

19.2 Reading: Rutherford, The Mass and Velocity of the α Particles

Expelled from Radium and Actinium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26319.2.1 Value of e/m for the α Particles from Radium A . . . . . . . . . . 264

19.2.2 Mass of the α Particle from Radium F . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265

19.2.3 Mass of the α Particles from Actinium . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265

19.2.4 Connexion of the α Particle with the Helium Atom . . . . . . . . 267

19.2.5 Age of Radioactive Minerals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270

19.2.6 Velocity and Energy of the α Particles Expelled from

Radium Products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271

19.2.7 Connexion between the Velocity and Amount of Ionization

Produced by the α Particle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272

19.3 Study Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273

19.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274

19.5 Vocabulary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277

20 Atomic Fission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279

20.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279

20.2 Reading: Rutherford, Nuclear Constitution of Atoms . . . . . . . . . . . . . 280

20.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280

20.2.2 Charge on the Nucleus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282

20.2.3 Dimension of Nuclei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28420.2.4 Long Range Particles from Nitrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285

20.2.5 Experiments with Solid Nitrogen Compounds . . . . . . . . . . . . 290

20.3 Study Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292

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xxiv Contents

20.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293

20.5 Vocabulary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294

21 Nuclear Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295

21.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29521.2 Reading: Rutherford, Nuclear Constitution of Atoms . . . . . . . . . . . . . 295

21.2.1 Short Range Atoms from Oxygen and Nitrogen . . . . . . . . . . . 296

21.2.2 Energy Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299

21.2.3 Properties of the New Atom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301

21.2.4 Constitution of Nuclei and Isotopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302

21.2.5 Structure of Carbon, Oxygen, and Nitrogen Nuclei . . . . . . . . 305

21.3 Study Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307

21.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308

21.5 Vocabulary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308

22 The Discovery of the Neutron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309

22.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309

22.2 Reading: Chadwick, The Existence of a Neutron . . . . . . . . . . . . . . . . . 310

22.2.1 Observations of Recoil Atoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312

22.2.2 The Neutron Hypothesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315

22.3 Study Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318

22.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319

22.5 Vocabulary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319

23 Neutron Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321

23.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321

23.2 Reading: Chadwick, The Existence of a Neutron . . . . . . . . . . . . . . . . . 322

23.2.1 The Nature of the Neutron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322

23.2.2 The Passage of the Neutron Through Matter . . . . . . . . . . . . . . 323

23.2.3 General Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326

23.2.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328

23.3 Study Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329

23.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329

23.5 Vocabulary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330

24 X-Ray Diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331

24.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331

24.2 Reading: Compton, X-Rays as a Branch of Optics . . . . . . . . . . . . . . . 332

24.2.1 The Refraction and Reflection of X-Rays . . . . . . . . . . . . . . . . 333

24.2.2 The Diffraction of X-Rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336

24.3 Study Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341


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Contents xxv

25 Compton Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345

25.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345

25.2 Reading: Compton, X-Rays as a Branch of Optics . . . . . . . . . . . . . . . 345

25.2.1 The Scattering of X-rays and Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346

25.3 Study Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351

25.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352

25.5 Vocabulary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353

26 Electron Scattering and Diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355

26.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355

26.2 Reading: Davisson, The Diffraction of Electrons by a Crystal of

Nickel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356

26.3 Study Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362


27 Matter Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365

27.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365

27.2 Reading: Davisson, The Diffraction of Electrons

by a Crystal of Nickel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366

27.3 Study Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373

27.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374

27.5 Vocabulary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375

28 Bohr’s Atomic Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377

28.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377

28.2 Reading: Bohr, The Structure of the Atom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378

28.2.1 The General Picture of the Atom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378

28.2.2 Atomic Stability and Electrodynamic Theory . . . . . . . . . . . . . 381

28.2.3 The Origin of the Quantum Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382

28.2.4 The Quantum Theory of Atomic Constitution. . . . . . . . . . . . . 384

28.2.5 The Hydrogen Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386

28.3 Study Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388

28.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389

28.5 Vocabulary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391

29 Atomic Spectra and Quantum Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393

29.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393


29.2.1 Relationships Between the Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394

29.2.2 Absorption and Excitation of Spectral Lines . . . . . . . . . . . . . . 398

29.2.3 The Quantum Theory of Multiply-Periodic Systems . . . . . . . 39929.2.4 The Correspondence Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401

29.3 Study Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405

29.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405

29.5 Vocabulary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406

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xxvi Contents

30 The Periodic Table of the Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409

30.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409


30.2.1 The Natural System of the Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410

30.2.2 X-Ray Spectra and Atomic Constitution . . . . . . . . . . . . . . . . . 416

30.3 Study Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420

30.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420

30.5 Vocabulary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422

31 Wave Mechanics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423

31.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423

31.2 Reading: Schrödinger, The Fundamental Idea of Wave Mechanics . . 424

31.3 Study Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434


32 The Quantum Paradox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443

32.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443

32.2 Reading: Heisenberg, The Copenhagen Interpretation

of Quantum Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445

32.3 Study Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452

32.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454

32.5 Vocabulary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456

Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457

Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459

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