je veškerá hmota vyrobena pouze z jednoho prvku?

i když poslední výsledky z Velkého Hadronového Urychlovače se objeví na podporu standardního modelu jaderné struktury, debata o konečném složení hmoty pokračuje. Teorie strun má příznivce (včetně Stephena Hawkinga), stejně jako supersymetrie. Temná hmota – i když je astrofyziky považována za nezbytnou – zatím zůstává záhadná a nepolapitelná., Takové argumenty mají dlouhou pre-historii.

nejstarší lidé uznali, že různé materiály mají různé vlastnosti, a vynalézavě je využívali, pomocí pazourku k výrobě nástrojů a červeného okru k ozdobení jeskynních zdí. Rozlišování mezi různými látkami se stalo důležitou funkcí lidské řeči – dokonce i jazyky takzvaných primitivních kmenových národů jsou bohaté na takové popisné pojmy. Stejně tak kategorizace látek jako „čistých“ nebo „nečistých“ tvoří základní kámen mnoha náboženství.,

některé rané řecké filozofické texty však tvrdí, že bohatá rozmanitost hmotného světa pochází z modifikací jediné elementární látky. Kolem 580 před naším LETOPOČTEM Thales z Milétu navrhla, že základním prvkem je voda. O něco později Heraclitus z Efezu tvrdil, že to byl oheň, a tam byli další uchazeči. Nakonec se objevil konsensus-existovaly čtyři pozemské prvky (oheň, voda, země a vzduch) a ještě jeden v nebesích (éter). S Aristotelovou autoritou za ním bylo toto pětinásobné rozdělení přijato po staletí., Víra v jediný konečný prvek (pohled na svět často nazývaný „monismus“) však nikdy zcela nezmizela. V roce 1815 William Prout tuto myšlenku revidoval s dalekosáhlými důsledky.

Důkazy proti Prout je hypotéza nahromaděné v průběhu 19. století, ještě několik významných chemiků uznal jeho logiku., Získala novou důvěryhodnost Od počátku 20. století pokroky v jaderné vědě, a v roce 1913 Henry Moseley zničil hlavní překážku jeho rehabilitaci pomocí rentgenových paprsků na objednávku prvků atomovým číslem spíše než hmotností. Když začala první světová válka, Moseley narukoval a v roce 1915 zemřel v Gallipoli. Letos se jeho objevy připomínají v Oxfordském Muzeu dějin vědy. Jejich historický význam je však jasnější, pokud se na ně pohlíží vedle odvážného návrhu, který Prout učinil o století dříve.,

Walking the wards

William Prout byl pozdní vývojář. Narodil se v rodině farmáře Gloucestershire v roce 1785 a získal útržkovité vzdělání (pravděpodobně přerušené kouzly zemědělské práce). V roce 1805 ve věku 20 let nastoupil do školy reverenda Thomase Jonese v Bristolu a při výuce základních dovedností juniorů získal koučování v pokročilých předmětech potřebných pro přijetí na University of Edinburgh. Toho dosáhl v roce 1808, v relativně zralém věku 23 let.

v Edinburghu se Prout oženil s Alexandrem Adamem (jehož dcera Anežka se měla oženit v roce 1814)., S promoval jako doktor medicíny v roce 1811, strávil obvyklé období pěší odděleních v nemocnicích Londýn před kvalifikací jako licenciát z Royal College of Physicians v roce 1812. Tato licence mu umožnila založit praxi v Londýně, ale to nebyla jeho jediná ambice. Od svých dnů v Bristolu se aktivně zapojil do chemie a do roku 1814 byl dostatečně jistý, aby nabídl některé soukromé chemické přednášky. Pomohli mu získat vstup do londýnské vědecké komunity a v roce 1819 se stal členem Královské společnosti.,

během své lékařské kariéry Prout zkoumal chemické jevy s biologickým významem. Je prokázáno, že žaludeční šťávy obsahují kyselinu chlorovodíkovou, a jeho tripartitní rozdělení živin do saccharinous‘ (sacharidů), ‚olejnaté‘ (tuku) a bílkovin‘ (protein), byl široce přijímaný. Chemické analýzy byly zásadní pro jeho studium podmínek ovlivňujících močový systém, jako je diabetes a ledvinové kameny, a jeho pojednání o nich z roku 1821 mělo pět anglických vydání a bylo přeloženo do francouzštiny a němčiny., Největší dopad však měly jeho spekulace o jednotě hmoty.

Tučné spekulace

Prout je první publikace na toto téma se objevil (anonymně) v roce 1815. Začalo to ‚ autor následující eseje předkládá ji veřejnosti s největší diffidence. Věří však, že jeho význam bude vidět“. Jeho název Na vztah mezi specifickými hmotnostmi těles v jejich plynných státy a hmotnosti jejich atomů se může zdát kontroverzní, ale v té době to bylo horké téma.,

chemické atomové teorie, které Manchester je John Dalton založené na kombinování vah prvků, bylo sotva deset let starý. Pokusy Josepha Gay-Lussaca v Paříži o kombinování objemů plynných prvků byly ještě novější. Zjevné nesrovnalosti mezi gravimetrickými a volumetrickými výpočty zmátly mnoho chemiků. (Tento zmatek pokračoval po celá desetiletí, dokud nebyl pochopen význam Avogadrova zákona.,) Prout se pokusil objasnit věci, tím, že shromažďování informací o relativní váhy a objemy, v nichž jsou prvky kombinovány, ale jeho článek měl žihadlo v ocasu.

většina Proutových numerických dat pochází z publikací významných chemiků, ačkoli sám opakoval mnoho měření. Vidí med ukázat, že atomové hmotnosti (vzhledem k vodíku) byl integrální hodnoty, a on vzpomínal, měl jsem často pozoroval u přístupu do kulatých čísel, než jsem byl veden, aby prošetřila předmět‘., Poznamenal také, že mnoho atomových hmotností byly dělitelné čtyřmi (a někteří o osm), a přemýšlel, zda všechny látky může být tvořen (‚zhoršuje‘) vodíku a kyslíku.

Tento radikální dotaz byl nepřítomen z Prout je další kniha, publikoval v roce 1816, který byl převážně věnován opravuje drobné chyby v jeho předchůdce. Uzavřel však další odvážné spekulace., Poté, co připomněl, že všechny atomové hmotnosti (vzhledem k vodíku) se zdála být celá čísla, Prout navrhl, že vodík byl základní primární hmoty, ze které všechny látky byly složeny – proto hyle navržené starověcí řečtí filosofové jako Thales.

tato myšlenka byla, Prout uznal, „není úplně nový“. Několik jeho současníků mělo podezření, že mnoho takzvaných prvků nejsou jednoduché látky. (Humphry Davy-který objevil několik z nich-upřednostňoval termín „undecompounded těla“.,) Nicméně myšlenka, že všechny předpokládané prvky byly tvořeny atomy vodíku, se stala známou mezi chemiky jako Proutova hypotéza. Ačkoli byl často kritizován, pokračoval v diskusi dlouho po jeho smrti v roce 1850.

Illusion confusion

jedním z prvních podporovatelů byl skotský chemik Thomas Thomson, jehož měření atomové hmotnosti se zdálo být slučitelné s hypotézou. Nicméně významný švédský chemik Jöns Berzelius nesouhlasil a kritizoval Thomsonovu experimentální techniku v netečném jazyce. I přes berzeliův odpor zájem o Proutovu myšlenku přetrvával., Během 1840s a 1850s Jean-Baptiste Dumas-přední francouzský chemik éry-dal to vážné zvážení. Belgičan Jean Stas, i když zpočátku sympatický, však v roce 1860 dospěl k závěru, že hypotéza je „čistá iluze“. Poté, měřená mnoho atomovou hmotnost přesně tak, on zjistil, že se výrazně odchýlil od celých čísel.

přestože Stasovy výsledky byly působivé, Švýcarský Jean Marignac tvrdil, že blízkost tolika atomových hmotností k integrálním hodnotám nebyla statisticky nepravděpodobná., Navrhl také (jak to udělal Dumas), že neintegrální atomové hmotnosti by mohly být vysvětleny, pokud by konečné elementární částice měly hmotnost přesně polovinu nebo čtvrtinu atomu vodíku. Nakonec Marignac navrhl, že hmotnost kompozitního atomu by mohla být menší než kombinované hmotnosti jeho složek – divoká spekulace, která se nakonec ukázala jako správná.

mezitím objevy ve fyzice vytvořily nové argumenty pro dělitelnost atomů., Anglický spectroscopists Norman Lockyer a William Crookes tvrdil, že anomální emisní spektra ukázal, že členění prvků za extrémních podmínek – uvnitř slunce a hvězd, nebo v high-napětí elektrických výbojů. V roce 1886 Crookes navrhl, že základní složkou hmoty bylo něco jako Prout je proto hyle (také známý jako protyle), které generované těžší prvky o evoluční proces, při chlazení z hvězdných na pozemní teploty.,

myšlenka pro atomovou vývoj nabral na obrátkách v roce 1902, kdy novozélandský fyzik Ernest Rutherford a anglický chemik Frederick Soddy, pracuje na kanadské McGill University, oznámila, že radioaktivní rozpad podílí transmutaci jednoho prvku do druhého. Soddy později rozhodl, že stav několika radioaktivních látek, o nichž se dříve myslelo, že jsou prvky, je problematický. Do roku 1913 byl unavený psaní „prvky chemicky identické a neoddělitelné chemickými metodami“, a začal volat jim ‚izotopy‘-jméno navrhl skotský lékař Margaret Todd., Ve stejném roce začala práce Henryho Moseleyho na rentgenových spektrech přinášet pořádek do této matoucí řady entit.

Atomová čísla objevena před

na Rozdíl od Prout, Moseley vyrůstal v akademickém světě., Jeho otec a otcovský dědeček byli profesoři vědy (bývalý na univerzitě v Oxfordu, druhý na King ‚ s College v Londýně), zatímco jeho dědeček z matčiny strany byl odborníkem na měkkýše a kolegou Královské společnosti. V Oxfordu Moseley zářil v matematice a vědě (a vesloval pro svou vysokou školu). Na absolvování v roce 1910 byl jmenován docentem fyziky na Univerzitě v Manchesteru, a začal jeho výzkum jako Rutherford byl rozvoj teorie jaderných atomu.,

v roce 1913 Moseley začal mapovat spektrální linie produkované, když jsou rentgenové paprsky difraktovány krystalovou mřížkou. Jeho rentgenové záření bylo generováno směrováním katodových paprsků (elektronů) na cíle vyrobené z různých prvků a do léta 1914 bombardoval vzorky mnoha kovů. Zjistil, že frekvence nejintenzivnější linie krátkých vln v rentgenovém spektru každého prvku mohou být spojeny jednoduchou rovnicí s polohou tohoto prvku v periodické tabulce (reprezentované celočíselným číslem, které nazval jeho „atomové číslo“).,

v periodické tabulce byla většina prvků umístěna ve vzestupném pořadí atomové hmotnosti. Ale pro několik párů prvků, jako argon a draslíku, váhu, aby měl být na zádech je najít nejvhodnější skupiny. Moseley rovnice vysvětlit tyto anomálie, které poskytují pevný základ pro přesvědčení, že atomové číslo bylo zásadnější, než atomová hmotnost.

Moseleyovy výpočty odhalily mezery v seznamu atomových čísel, které přidělil prvkům dosud neobjeveným., (Některé z nich již dlouho existovaly a většina z nich byla následně izolována chemickými prostředky.) Mezitím, na těžkém konci periodické tabulky, bylo zjevně více prvků než atomových čísel – problém, který Soddy již řešil svým konceptem izotopu.

Moseley neviděl úplné výsledky svého průlomu-v roce 1915 byl zastřelen sniperem, zatímco sloužil u královských inženýrů., Ale brzy poté, co válka skončila, Rutherford tým učinil objevy, které odhalily fyzikální základy Moseley atomová čísla, a mimochodem resuscitován Prout pověst.

integrální atomová čísla se zdála být slučitelnější s Proutovou hypotézou než diskutabilní atomové hmotnosti. Ale co tato čísla skutečně představovala? Rutherford (a nezávisle nizozemský fyzik Antonius Van den Broek) navrhl, že atomové číslo prvku se rovná čistému kladnému náboji na jeho jádru., Pokud ano, izotopy Soddy byly atomy, jejichž jádra měla stejný náboj, ale různé hmotnosti. Masový spektrograf vyvinutý britským chemikem Francisem Astonem v roce 1919 to potvrdil identifikací mnoha izotopů a nakonec fyzickým oddělením některých z nich.

do roku 1920 Rutherford dospěl k závěru, že všechna těžší atomová jádra obsahovala vodíková jádra. Domníval se, tento z experimentu, ve kterém se alfa částice (jádra hélia) vystřelil na atomy dusíku produkované atomy kyslíku izotop, plus vodíkových jader., Zdálo se, že vodíková jádra byla vyřazena z těžších atomů – ale zřejmě existovaly i další složky. Jaderné masy byly příliš velké, aby být účtovány podle počtu jader vodíku potřebné k zajištění jejich pozitivní náboj a Rutherford podezření, že extra hmotnost přišel z neutrálních částic. (Tyto „neutrony“ byly později detekovány Rutherfordovým asistentem Jamesem Chadwickem.) Přezkoumat tyto otázky v roce 1920 Britské Asociace zasedání, Rutherford navrhl volat jádro vodíku proton – jméno spojil výslovně s Prout je proto hyle.,

Prout

Rutherford hold Prout zdá příliš jako konvenční šťastný konec, aby to byla pravda. A skutečně došlo k nešťastnému pokračování. Zpočátku se zdálo, že neintegrální atomové hmotnosti, které frustrovaly Proutovy příznivce, lze vysvětlit skutečností, že v přírodě existuje mnoho prvků jako směsi izotopů. Ukázalo se však, že ani čisté izotopy nemusí mít nutně integrální hodnoty atomové hmotnosti., Jak Marignac uhodl, hmotnost atomu se nemusí rovnat součtu hmot jeho složek.

v roce 1915 Americký fyzikální chemik William Harkins vysvětlil proč. Tvrdil, že za účelem udržení (elektricky odpudivých) protonů v atomovém jádru je část jejich hmoty přeměněna na vazebnou energii. Harkins to nazval „hmotnostní vadou“ jádra. Použití vzorce E=mc2 Alberta Einsteina na chybějící hmotu naznačovalo, že velké množství energie by mělo být osvobozeno štěpením těžkých jader nebo fúzí lehkých.,

v roce 1940 bylo provedeno řízené jaderné štěpení s ničivými výsledky pro japonská města Hirošima a Nagasaki. Brzy poté, astrofyzici Fred Hoyle ukázal, jak jaderná fúze uvnitř slunce a hvězd uvolňuje mnohem větší množství energie, a zároveň vytváří prvky těžší než vodík. Prout je přesvědčení, že všechny prvky jsou vyrobeny z vodíku byl tedy zadostiučinění, i když způsobem, že by nikdy nesnilo., Rovněž byly vysvětleny neintegrální hodnoty atomové hmotnosti, které podkopaly jeho hypotézu, částečně existencí izotopů a částečně přeměnou některé jaderné hmoty na vazebnou energii – „hmotnostní vadu“.

zatím neexistuje mezinárodně dohodnutá měrná jednotka pro hmotnostní vady. V roce 1946 americký fyzik Enos Witmer navrhl, že by měl být stanoven na 1/12 vazebné energie deuteronu (jádra těžkého izotopu vodíku) a prozatímně jej pojmenoval „prout“, ale jeho návrh získal malou podporu. Možná by rok 2015 mohl být dobrým rokem k jeho oživení?