Besteht alles aus nur einem Element?

Obwohl die jüngsten Ergebnisse des Large Hadron Collider das Standardmodell der Kernstruktur zu unterstützen scheinen, wird die Debatte über die endgültige Zusammensetzung der Materie fortgesetzt. Stringtheorie hat Unterstützer (einschließlich Stephen Hawking), ebenso wie Supersymmetrie. In der Zwischenzeit bleibt dunkle Materie – obwohl sie von Astrophysikern als wesentlich angesehen wird – rätselhaft und schwer fassbar., Solche Argumente haben eine lange Vorgeschichte.

Die frühesten Menschen erkannten, dass verschiedene Materialien unterschiedliche Eigenschaften haben, und nutzten sie erfinderisch aus, indem sie Feuerstein zur Herstellung von Werkzeugen und roten Ocker zur Dekoration von Höhlenwänden verwendeten. Die Unterscheidung zwischen verschiedenen Substanzen wurde zu einer wichtigen Funktion der menschlichen Sprache – selbst die Sprachen der sogenannten primitiven Stammesvölker sind reich an solchen beschreibenden Begriffen. Ebenso bildet die Einstufung von Substanzen als „sauber“ oder „unrein“ einen Eckpfeiler vieler Religionen.,

Einige frühe griechische philosophische Texte argumentieren jedoch, dass die reiche Vielfalt der materiellen Welt alle von Modifikationen einer einzigen Elementarsubstanz herrührt. Um 580 v. Chr. schlug Thales von Milet vor, dass das grundlegende Element Wasser sei. Etwas später behauptete Heraklit von Ephesus, es sei Feuer, und es gab andere Anwärter. Schließlich entstand ein Konsens – es gab vier irdische Elemente (Feuer, Wasser, Erde und Luft) und ein weiteres im Himmel (Äther). Mit Aristoteles ‚ Autorität dahinter wurde diese fünffache Teilung jahrhundertelang akzeptiert., Aber der Glaube an ein einziges ultimatives Element (ein Weltbild, das oft als „Monismus“ bezeichnet wird) verschwand nie ganz. 1815 revidierte William Prout die Idee mit weitreichenden Konsequenzen.

Beweise gegen Prouts Hypothese, die sich im Laufe des 19., Jahrhunderts neue Glaubwürdigkeit, und 1913 zerstörte Henry Moseley ein großes Hindernis für seine Rehabilitation, indem er Röntgenstrahlen verwendete, um die Elemente nach Ordnungszahl und nicht nach Masse zu ordnen. Als der erste Weltkrieg begann, trat Moseley ein und starb 1915 in Gallipoli. In diesem Jahr werden seine Entdeckungen im Museum of the History of Science der Universität Oxford gefeiert. Ihre historische Bedeutung wird jedoch klarer, wenn man sie neben dem kühnen Vorschlag betrachtet, der ein Jahrhundert zuvor gemacht wurde.,

Wandern die Gemeinden

William Prout war ein Spätentwickler. 1785 in eine Bauernfamilie aus Gloucestershire hineingeboren, erhielt er eine skizzenhafte Ausbildung (wahrscheinlich unterbrochen von landwirtschaftlichen Arbeiten). Im Alter von 20 Jahren trat er 1805 der Reverend Thomas Jones‘ School in Bristol bei, und während er den Junioren grundlegende Fähigkeiten beibrachte, erhielt er Coaching in fortgeschrittenen Fächern, die für die Zulassung zur Universität von Edinburgh erforderlich waren. Er erreichte dies 1808 im relativ reifen Alter von 23 Jahren.

In Edinburgh reichte Prout bei Alexander Adam (dessen Tochter Agnes er 1814 heiraten sollte) ein., Nach seinem Abschluss als Doktor der Medizin im Jahr 1811 verbrachte er die übliche Zeit auf den Stationen in Londoner Krankenhäusern, bevor er sich 1812 als Lizenziat des Royal College of Physicians qualifizierte. Diese Lizenz erlaubte ihm, eine Praxis in London zu gründen, aber das war nicht sein einziger Ehrgeiz. Seit seiner Zeit in Bristol hatte er sich aktiv mit Chemie beschäftigt, und bis 1814 war er zuversichtlich genug, einige private chemische Vorlesungen anzubieten. Sie halfen ihm, in die Londoner wissenschaftliche Gemeinschaft aufgenommen zu werden, und er wurde 1819 Fellow der Royal Society.,

Während seiner medizinischen Laufbahn untersuchte Prout chemische Phänomene mit biologischer Bedeutung. Er bewies, dass Magensäfte Salzsäure enthalten, und seine dreigliedrige Aufteilung der Nährstoffe in „Saccharin“ (Kohlenhydrate), „ölhaltig“ (Fett) und „albuminös“ (Protein) wurde weithin akzeptiert. Chemische Analysen standen im Mittelpunkt seiner Untersuchung von Erkrankungen des Harnsystems wie Diabetes und Nierensteinen, und seine Abhandlung von 1821 über sie hatte fünf englische Ausgaben und wurde ins Französische und Deutsche übersetzt., Es waren jedoch seine Spekulationen über die Einheit der Materie, die den größten Einfluss hatten.

Mutige Spekulationen

Prouts erste Veröffentlichung zu diesem Thema erschien 1815 (anonym). Es begann ‘Der Autor des folgenden Aufsatzes legt es der Öffentlichkeit mit der größten Verbreitung vor. Er vertraut jedoch darauf, dass seine Bedeutung gesehen wird“. Sein Titel Über die Beziehung zwischen den spezifischen Gravitationen von Körpern in ihren gasförmigen Zuständen und den Gewichten ihrer Atome mag unbestritten erscheinen, aber zu der Zeit war dies ein heißes Thema.,

Die chemische Atomtheorie, die John Dalton von Manchester auf der Grundlage der Kombinationsgewichte von Elementen entwickelte, war kaum ein Jahrzehnt alt. Joseph Gay-Lussacs Experimente in Paris zur Kombination von Volumina gasförmiger Elemente waren noch aktueller. Scheinbare Diskrepanzen zwischen den gravimetrischen und volumetrischen Berechnungen verwirrten viele Chemiker. (Diese Verwirrung dauerte Jahrzehnte, bis die Bedeutung von Avogadros Gesetz verstanden wurde.,) Prout versuchte, die Dinge zu klären, indem er Informationen über die relativen Gewichte und Volumina sammelte, in denen sich die Elemente kombinierten, aber sein Artikel hatte einen Stachel im Schwanz.

Die meisten numerischen Daten von Prout stammten aus Veröffentlichungen bedeutender Chemiker, obwohl er selbst viele Messungen wiederholt hatte. Sie sehen es als erwiesen an, dass diese Atomgewichte (relativ zu Wasserstoff) integrale Werte hatten, und er erinnerte sich: „Ich hatte oft die Annäherung an runde Zahlen beobachtet, bevor ich dazu gebracht wurde, das Thema zu untersuchen“., Er stellte auch fest, dass viele Atomgewichte durch vier (und einige durch acht) teilbar waren, und fragte sich, ob alle Substanzen aus Wasserstoff und Sauerstoff bestehen könnten („zusammengesetzt“).

Diese radikale Frage fehlte in Prouts nächster Arbeit, die 1816 veröffentlicht wurde und hauptsächlich der Korrektur geringfügiger Fehler in ihrem Vorgänger gewidmet war. Er schloss jedoch mit einer weiteren mutigen Spekulation., Nachdem Prout wiederholt hatte, dass alle Atomgewichte (relativ zu Wasserstoff) ganze Zahlen zu sein schienen, schlug er vor, dass Wasserstoff die grundlegende Primärmaterie sei, aus der alle Substanzen zusammengesetzt seien – das von antiken griechischen Philosophen wie Thales vorgeschlagene Proto Hyle.

Dieser Gedanke sei, so Prout, „nicht ganz neu“. Einige seiner Zeitgenossen vermuteten, dass viele sogenannte Elemente keine einfachen Substanzen waren. (Humphry Davy – der mehrere von ihnen entdeckt hatte-bevorzugte den Begriff „undecompounded Bodies“.,) Dennoch wurde die Idee, dass alle vermeintlichen Elemente aus Wasserstoffatomen bestanden, unter Chemikern als Prouts Hypothese bekannt. Obwohl häufig kritisiert, setzte es Debatte lange nach seinem Tod im Jahr 1850 zu stimulieren.

Illusion confusion

Ein früher Befürworter war der schottische Chemiker Thomas Thomson, dessen Atomgewichtsmessungen mit der Hypothese vereinbar schienen. Der bedeutende schwedische Chemiker Jöns Berzelius widersprach jedoch und kritisierte Thomsons experimentelle Technik in komplizierter Sprache. Trotz Berzelius ‚ Widerstand blieb das Interesse an Prouts Idee bestehen., In den 1840er und 1850er Jahren gab Jean-Baptiste Dumas – der führende französische Chemiker dieser Zeit-ernsthafte Überlegungen an. Aber der Belgier Jean Stas, obwohl anfangs sympathisch, kam 1860 zu dem Schluss, dass die Hypothese „reine Illusion“ sei. Nachdem er viele Atomgewichte genau gemessen hatte, stellte er fest, dass sie signifikant von ganzen Zahlen abwichen.

Obwohl die Ergebnisse von Stas beeindruckend waren, argumentierte der Schweizer Jean Marignac, dass die Nähe so vieler Atomgewichte zu Integralwerten statistisch unwahrscheinlich sei., Er schlug auch vor (wie Dumas getan hatte), dass nicht-integrale Atomgewichte erklärt werden könnten, wenn die endgültigen Elementarteilchen eine Masse genau die Hälfte oder ein Viertel eines Wasserstoffatoms hätten. Schließlich schlug Marignac vor, dass die Masse eines zusammengesetzten Atoms geringer sein könnte als die kombinierte Masse seiner Komponenten – eine wilde Spekulation, die sich schließlich als richtig erwies.

In der Zwischenzeit erzeugten Entdeckungen in der Physik neue Argumente für die Teilbarkeit von Atomen., Die englischen Spektroskopiker Norman Lockyer und William Crookes behaupteten, dass anomale Emissionsspektren den Zusammenbruch von Elementen unter extremen Bedingungen offenbarten – innerhalb der Sonne und der Sterne oder bei elektrischen Hochspannungsentladungen. Im Jahr 1886 schlug Crookes vor, dass die grundlegende Komponente der Materie so etwas wie Prouts Proto Hyle (auch bekannt als Protyle) war, der die schwereren Elemente durch einen evolutionären Prozess erzeugte, während er von Sterntemperaturen auf terrestrische Temperaturen abkühlte.,

Die Idee der atomaren Evolution gewann 1902 an Dynamik, als der neuseeländische Physiker Ernest Rutherford und der englische Chemiker Frederick Soddy, der an der kanadischen McGill University arbeitete, bekannt gaben, dass der radioaktive Zerfall die Umwandlung eines Elements in ein anderes beinhaltete. Soddy entschied später, dass der Status mehrerer radioaktiver Substanzen, die zuvor als Elemente angesehen wurden, problematisch war. Bis 1913 war er es leid, „Elemente chemisch identisch und nicht durch chemische Methoden trennbar“ zu schreiben, und begann, sie „Isotope“ zu nennen – ein Name, der von der schottischen Ärztin Margaret Todd vorgeschlagen wurde., Im selben Jahr begann Henry Moseleys Arbeit an Röntgenspektren Ordnung in diese verwirrende Reihe von Entitäten zu bringen.

Entdeckte Ordnungszahlen

Im Gegensatz zu Prout wuchs Moseley in der Wissenschaft auf., Sein Vater und Großvater väterlicherseits waren Wissenschaftsprofessoren (der ehemalige an der Universität Oxford, der letztere am King ‚ s College London), während sein Großvater mütterlicherseits ein Experte für Weichtiere und ein Fellow der Royal Society war. In Oxford glänzte Moseley in Mathematik und Naturwissenschaften (und ruderte für sein College). Nach seinem Abschluss im Jahr 1910 wurde er zum Dozenten für Physik an der University of Manchester ernannt und begann seine Forschung als Rutherford die Theorie des Kernatoms dort entwickelte.,

Im Jahr 1913 begann Moseley, die Spektrumlinien zu zeichnen, die erzeugt werden, wenn Röntgenstrahlen durch ein Kristallgitter gebeugt werden. Seine Röntgenstrahlen wurden erzeugt, indem Kathodenstrahlen (Elektronen) auf Ziele aus verschiedenen Elementen gerichtet wurden, und im Sommer 1914 hatte er Proben vieler Metalle bombardiert. Er fand heraus, dass die Frequenzen der intensivsten Kurzwellenlinie im Röntgenspektrum jedes Elements durch eine einfache Gleichung mit der Position dieses Elements im Periodensystem verbunden sein könnten (dargestellt durch eine Ganzzahl, die er seine „Ordnungszahl“ nannte).,

Im Periodensystem wurden die meisten Elemente in aufsteigender Reihenfolge des Atomgewichts platziert. Aber für ein paar Paare von Elementen, wie Argon und Kalium, musste die Gewichtsreihenfolge invertiert werden, um sie in den am besten geeigneten Gruppen zu lokalisieren. Moseleys Gleichung erklärte diese Anomalien und lieferte solide Gründe für die Annahme, dass die Ordnungszahl grundlegender als das Atomgewicht sei.

Moseleys Berechnungen offenbarten Lücken in der Liste der Ordnungszahlen, die er noch unentdeckten Elementen zuordnete., (Einige von ihnen waren lange vermutet worden, zu existieren, und die meisten wurden anschließend durch chemische Mittel isoliert.) Inzwischen gab es am schweren Ende des Periodensystems anscheinend mehr Elemente als Ordnungszahlen – ein Problem, das Soddy bereits mit seinem Konzept des Isotops ansprach.

Moseley sah nicht die vollständigen Ergebnisse seines Durchbruchs – er wurde 1915 von einem Scharfschützen erschossen, als er bei den Royal Engineers diente., Aber bald nach Kriegsende machte Rutherfords Team Entdeckungen, die die physikalischen Grundlagen von Moseleys Ordnungszahlen enthüllten und übrigens Prouts Ruf wiederbelebten.

Integrale Ordnungszahlen schienen mit Prouts Hypothese kompatibler zu sein als debattierbare Atomgewichte. Aber was repräsentierten diese Zahlen tatsächlich? Rutherford (und unabhängig davon der niederländische Physiker Antonius Van den Broek) schlug vor, dass die Ordnungszahl eines Elements gleich der positiven Nettoladung auf seinem Kern sei., Wenn ja, Soddys Isotope waren Atome, deren Kerne die gleiche Ladung, aber unterschiedliche Massen hatten. Der Massenspektrograph, der 1919 vom britischen Chemiker Francis Aston entwickelt wurde, bestätigte dies, indem er viele Isotope identifizierte und schließlich einige von ihnen physikalisch trennte.

Bis 1920 hatte Rutherford den Schluss gezogen, dass alle schwereren Atomkerne Wasserstoffkerne enthielten. Er folgerte dies aus einem Experiment, in dem Alphateilchen (Heliumkerne), die auf Stickstoffatome feuerten, Atome eines Sauerstoffisotops plus Wasserstoffkerne produzierten., Es schien, dass Wasserstoffkerne aus den schwereren Atomen herausgeschlagen wurden – aber anscheinend gab es auch andere Komponenten. Kernmassen waren zu groß, um durch die Anzahl der Wasserstoffkerne berücksichtigt zu werden, die benötigt wurden, um ihre positiven Ladungen bereitzustellen, und Rutherford vermutete, dass die zusätzliche Masse von neutralen Teilchen stammte. (Diese „Neutronen“ wurden später von Rutherfords Assistenten James Chadwick entdeckt. Auf der Tagung der British Association 1920 schlug Rutherford vor, den Wasserstoffkern als Proton zu bezeichnen – ein Name, den er explizit mit Prouts Proto hyle verband.,

Die Prout

Rutherford Hommage an Prout scheint zu viel wie ein konventionelles happy End, um wahr zu sein. Und tatsächlich gab es eine unglückliche Fortsetzung. Anfangs schien es, dass die nicht-integralen Atomgewichte, die die Befürworter von Prout frustriert hatten, dadurch erklärt werden konnten, dass in der Natur viele Elemente als Isotopenmischungen existieren. Es zeigte sich jedoch, dass selbst reine Isotope nicht unbedingt integrale Atommassenwerte haben., Wie Marignac vermutet hatte, muss die Masse eines Atoms nicht der Summe der Massen seiner Komponententeilchen entsprechen.

1915 erklärte der amerikanische Physiker William Harkins warum. Er argumentierte, dass, um die (elektrisch abstoßenden) Protonen in einem Atomkern zusammenzuhalten, ein Teil ihrer Masse in Bindungsenergie umgewandelt wird. Harkins nannte dies den „Massendefekt“ des Kerns. Die Anwendung von Albert Einsteins E=mc2-Formel auf die fehlende Masse deutete darauf hin, dass große Energiemengen durch die Spaltung schwerer Kerne oder durch die Fusion leichter Kerne freigesetzt werden sollten.,

In den 1940er Jahren wurde eine kontrollierte Kernspaltung mit verheerenden Folgen für die japanischen Städte Hiroshima und Nagasaki durchgeführt. Bald darauf zeigten Astrophysiker wie Fred Hoyle, wie die Kernfusion in der Sonne und in den Sternen weitaus größere Mengen an Energie freisetzt und gleichzeitig Elemente erzeugt, die schwerer als Wasserstoff sind. Prouts Glaube, dass alle Elemente aus Wasserstoff bestehen, wurde somit bestätigt, obwohl er sich nie hätte träumen lassen., Die nicht integralen Atomgewichtswerte, die seine Hypothese untergruben, wurden auch erklärt, zum Teil durch die Existenz von Isotopen und zum Teil durch die Umwandlung einer Kernmasse in Bindungsenergie – den „Massendefekt“.

Bisher gibt es keine international vereinbarte Maßeinheit für Massenfehler. Im Jahr 1946 schlug der amerikanische Physiker Enos Witmer vor, dass er auf 1/12 der Bindungsenergie des Deuterons (des Kerns des schweren Isotops von Wasserstoff) eingestellt werden sollte, und nannte es vorläufig „das Prout“, aber sein Vorschlag erhielt wenig Unterstützung. Vielleicht könnte 2015 ein gutes Jahr sein, um es wiederzubeleben?