er alt stof lavet af kun et element?

Selv om de seneste resultater fra Large Hadron Collider ud til at støtte den standard model af nukleare struktur, forhandling om den endelige sammensætning af sagen fortsætter. String teori har tilhængere (herunder Stephen Ha .king), som gør supersymmetry. Imens, mørkt stof – selvom det betragtes som essentielt af astrofysikere-forbliver gådefulde og undvigende., Sådanne argumenter har en lang forhistorie.de tidligste mennesker erkendte, at forskellige materialer har forskellige egenskaber, og udnyttede dem opfindsomt ved hjælp af flint til at lave værktøjer og rød okker til at dekorere hulevægge. At skelne mellem forskellige stoffer blev en vigtig funktion af menneskelig tale-selv de såkaldte primitive stammefolks sprog er rige på sådanne beskrivende udtryk. På samme måde udgør kategorisering af stoffer som ‘rene’ eller ‘urene’ en hjørnesten i mange religioner.,

nogle tidlige græske filosofiske tekster hævder imidlertid, at den rige mangfoldighed i den materielle verden alle stammer fra modifikationer af et enkelt elementært stof. Omkring 580 f. kr. foreslog Thales of Miletus, at det grundlæggende element var vand. Noget senere hævdede Heraklitus fra Efesus, at det var ild, og der var andre konkurrenter. Til sidst opstod der enighed – der var fire jordiske elementer (ild, vand, jord og luft) og en mere i himlen (æter). Med Aristoteles autoritet bag sig blev denne femfoldige division accepteret i århundreder., Men troen på et enkelt ultimativt element (et verdensbillede ofte kaldet ‘monisme’) forsvandt aldrig helt. I 1815 genoptog ideailliam Prout ideen med vidtrækkende konsekvenser.

Beviser mod Prout ‘ s hypotese, der er akkumuleret gennem hele det 19 århundrede, endnu flere fremtrædende kemikere erkendt sin underliggende logik., Det fik ny troværdighed fra begyndelsen af det 20.århundredes fremskridt inden for nuklear videnskab, og i 1913 nedrev Henry Moseley en stor hindring for dens rehabilitering ved at bruge røntgenstråler til at bestille elementerne efter atomnummer snarere end masse. Når Første Verdenskrig begyndte Moseley hyret, og han døde i Gallipoli i 1915. I år mindes hans opdagelser på University of O .fords Museum of the History of Science. Imidlertid, deres historiske betydning bliver klarere, hvis de ses sammen med det dristige forslag, Prout fremsatte et århundrede tidligere.,

gå på afdelingerne

Williamilliam Prout var en sen Udvikler. Født i en Gloucestershire bondefamilie i 1785, fik han en skitseret uddannelse (sandsynligvis afbrudt af magi af landbrugsarbejde). I 1805, alderen 20, han tiltrådte Reverend Thomas Jones ‘ skole i Bristol, og samtidig undervise juniorer grundlæggende færdigheder, han modtog coaching i avancerede fag kræves for optagelse på universitetet i Edinburgh. Han opnåede dette i 1808, i den relativt modne alder af 23.

i Edinburgh, Prout indgivet til Ale .ander Adam (hvis datter Agnes han skulle gifte sig i 1814)., Efter at have uddannet sig som læge i medicin i 1811 tilbragte han den sædvanlige periode med at gå på afdelingerne i Londons hospitaler, før han kvalificerede sig som licentiat for Royal College of Physicians i 1812. Denne licens tillod ham at etablere en praksis i London, men det var ikke hans eneste ambition. Siden hans dage i Bristol han havde været aktivt involveret med Kemi, og ved 1814 var han overbevist nok til at tilbyde nogle private kemiske foredrag. De hjalp ham med at få adgang til Londons videnskabelige samfund, og han blev en stipendiemodtager i Royal Society i 1819.,

gennem sin medicinske karriere undersøgte Prout kemiske fænomener med biologisk betydning. Han beviste, at gastrisk saft indeholder saltsyre, og hans tredelte opdeling af næringsstoffer i ‘saccharinous’ (kulhydrat), ‘olieholdige’ (fedt) og ‘albuminous’ (protein) blev bredt accepteret. Kemiske analyser var centrale for hans undersøgelse af forhold, der påvirker urinvejene, ligesom diabetes og nyresten, og hans 1821 afhandling om dem havde fem engelske udgaver og blev oversat til fransk og tysk., Men det var hans spekulationer om materiens enhed, der havde størst indflydelse.

fed spekulationer

Prouts første publikation om dette emne udkom (anonymt) i 1815. Det begyndte ‘forfatteren af følgende essay forelægger det for offentligheden med den største frygtsomhed. Han stoler dog på, at dens betydning vil blive set’. Dens titel på forholdet mellem kroppens specifikke tyngdekraft i deres gasformige tilstande og vægten af deres atomer kan virke ukontroversiel, men på det tidspunkt var dette et varmt emne.,

den kemiske atomteori, som Manchesters John Dalton baseret på kombinationen af elementer, var næppe et årti gammel. Joseph Gay-Lussacs eksperimenter i Paris på de kombinerede mængder gasformige elementer var endnu nyere. Tilsyneladende uoverensstemmelser mellem gravimetriske og volumetriske beregninger forvirrede mange kemikere. (Denne forvirring fortsatte i årtier, indtil betydningen af Avogadros lov blev forstået.,) Prout forsøgte at afklare tingene ved at samle oplysninger om de relative vægte og mængder, hvor elementerne kombineres, men hans artikel havde et stik i halen.de fleste af Prouts numeriske data kom fra publikationer fra fremtrædende kemikere, selvom han selv havde gentaget mange målinger. De ser med at vise, at atomvaegten (i forhold til brint) havde integrerende værdier, og han mindede om, ‘jeg havde ofte observeret den nærmeste tilgang til runde tal, før jeg blev ført til at undersøge emnet’., Han bemærkede også, at mange atomvaegten var delelig med fire (og nogle af otte), og spekulerede på, om alle stoffer kan være sammensat (‘blandet’) af hydrogen og ilt.

denne radikale forespørgsel var fraværende fra Prouts næste papir, der blev offentliggjort i 1816, som hovedsageligt var afsat til at korrigere mindre fejl i sin forgænger. Han konkluderede dog med en anden dristig spekulation., Efter at have gentaget, at alle atomvægte (i forhold til brint) syntes at være hele tal, foreslog Prout, at brint var det grundlæggende primære stof, hvorfra alle stoffer blev sammensat – proto hyle foreslået af gamle græske filosoffer som Thales.

denne tanke var Prout anerkendt, ‘ikke helt ny’. Flere af hans samtidige mistænkte, at mange såkaldte elementer ikke var enkle stoffer. (Humphry Davy – der havde opdaget flere af dem-foretrak udtrykket ‘uforbundne kroppe’.,) Ikke desto mindre blev ideen om, at alle de formodede elementer bestod af hydrogenatomer, kendt blandt kemikere som Prouts hypotese. Selvom det ofte kritiseres, fortsatte det med at stimulere debatten længe efter hans død i 1850.

Illusionsforvirring

en tidlig tilhænger var den skotske kemiker Thomas Thomson, hvis atomvægtmålinger syntes forenelige med hypotesen. Men den fremtrædende svenske kemiker Jnsns ber .elius uenige, kritisere Thomson ‘ s eksperimentelle teknik i voldsomme sprog. Trods ber .elius ‘ modstand, interesse i Prouts id.fortsatte., I løbet af 1840 ‘erne og 1850’ erne tog Jean-Baptiste Dumas – tidens førende franske kemiker – det alvorligt i betragtning. Men den belgiske Jean Stas, skønt oprindeligt sympatisk, konkluderede i 1860, at hypotesen var ‘ren illusion’. Efter at have målt mange atomvaegten præcist, fandt han, at de afveg betydeligt fra hele tal.

Selv om Stas’ resultater var imponerende, den Schweiziske Jean Marignac gjort gældende, at graden af så mange atomic vægte værdier var statistisk usandsynligt, at der er opstået ved en tilfældighed., Han foreslog også (som Dumas havde gjort), at ikke-integrerende atomvaegten kan forklares, hvis den ultimative elementære partikler havde en masse præcis halvdelen eller en fjerdedel af et hydrogenatom. Endelig foreslog Marignac, at et sammensat atoms masse kunne være mindre end de kombinerede masser af dets komponenter – en vild spekulation, som til sidst viste sig korrekt.i mellemtiden genererede opdagelser i fysik friske argumenter for atomernes delbarhed., De engelske spektroskopister Norman Lockyer og Croilliam Crookes hævdede, at anomale emissionsspektre afslørede nedbrydning af elementer under ekstreme forhold – inde i solen og stjernerne eller i højspændings elektriske udladninger. I 1886 Crookes foreslået, at den grundlæggende komponent i sagen var noget i retning af Prout ‘ s proto hyle (også kendt som protyle), som genereret de tungere elementer af en evolutionær proces, mens afkøling fra stjernernes til terrestriske temperaturer.,

tanken om, at atomic udviklingen tog fart i 1902, når New Zealand fysiker Ernest Rutherford og den engelske kemiker Frederik Soddy, der arbejder på Canadas McGill University, meddelte, at radioaktivt henfald, der er involveret omdannelse af et grundstof til et andet. Soddy besluttede senere, at status for flere radioaktive stoffer, der tidligere blev antaget at være elementer, var problematisk. I 1913 blev han træt af at skrive ‘elementer kemisk identiske, ikke-adskillelige af kemiske metoder’, og begyndte at kalde dem ‘isotoper’ – et navn, som foreslået af den Skotske læge Margaret Todd., Samme år begyndte Henry Moseleys arbejde med røntgenspektre at bringe orden i dette forvirrende udvalg af enheder.

Atomic numre opdagede

i Modsætning til Prout, Moseley voksede op i den akademiske verden., Hans far og farfar var science professorer (det tidligere på University of Oxford, sidstnævnte på King ‘ s College, London), mens hans morfar var en ekspert på bløddyr og fellow of the Royal Society. På O .ford, Moseley skinnede i matematik og videnskab (og roede for hans kollegium). På dimitteret i 1910 blev han udnævnt til lektor i fysik ved Universitetet i Manchester, og startede sin forskning som Rutherford var ved at udvikle teorien om det nukleare atom d .r.,

i 1913 begyndte Moseley at kortlægge de spektrumlinjer, der blev produceret, når røntgenstråler diffraheres gennem et krystalgitter. Hans røntgenstråler blev genereret ved at dirigere katodestråler (elektroner) på mål fremstillet af forskellige elementer, og i sommeren 1914 havde han bombarderet prøver af mange metaller. Han fandt, at hyppigheden af de mest intense kortbølge linje i x-ray spektrum af hvert element kunne være forbundet med en simpel ligning, at elementet ‘ s holdning i det periodiske system (repræsenteret ved et heltal, som han kaldte sin ‘atomnummer’).,

i den periodiske tabel blev de fleste elementer anbragt i stigende rækkefølge af atomvægt. Men for et par par elementer, som argon og kalium, måtte vægtordren vendes for at lokalisere dem i de mest passende grupper. Moseley ‘ s ligning forklarede disse anomalier, der giver solid grund til den tro, at atomnummer var mere grundlæggende end atomvægt.

Moseley ‘ s beregninger afslørede huller i listen over atomnumre, som han tildelte elementer endnu uopdagede., (Nogle af disse havde længe været mistænkt for at eksistere, og de fleste blev efterfølgende isoleret ved kemiske midler. I mellemtiden var der i den tunge ende af det periodiske bord tilsyneladende flere elementer end atomnumre-et problem Soddy var allerede adresseret med sit koncept om isotopen.

Moseley så ikke de fulde resultater af sit gennembrud – han blev skudt af en snigskytte i 1915, mens han tjente med de kongelige ingeniører., Men kort efter krigen sluttede Rutherfords team opdagelser, der afslørede de fysiske grundlag for Moseleys atomnumre og i øvrigt genoplivet Prouts omdømme.

Integrale atomnumre syntes mere kompatible med Prouts hypotese end debatable atomvægte. Men hvad repræsenterede disse tal faktisk? Rutherford (og uafhængigt, den hollandske fysiker Antonius Van Den Broek), foreslog, at et elements atomnummer var lig med den netto positive ladning på dens kerne., I så fald var Soddys isotoper atomer, hvis kerner havde den samme ladning, men forskellige masser. Massespektrografen, udviklet af den britiske kemiker Francis Aston i 1919, bekræftede dette ved at identificere mange isotoper og til sidst ved fysisk at adskille nogle af dem.

i 1920 Rutherford havde konkluderet, at alle de tungere atomkerner indeholdt hydrogen kerner. Han udledte dette fra et eksperiment, hvor alfapartikler (heliumkerner) fyret på nitrogenatomer produceret atomer af en ilt isotop, plus hydrogen kerner., Det så ud til, at brintkerner blev slået ud af de tungere atomer – men tilsyneladende var der også andre komponenter. Kernemasser var for store til at kunne forklares med antallet af brintkerner, der var nødvendige for at give deres positive ladninger, og Rutherford mistænkte, at den ekstra masse kom fra neutrale partikler. (Disse’ neutroner ‘ blev senere opdaget af Rutherfords assistent James Chad .ick.) Gennemgang af disse spørgsmål på British Association-mødet i 1920 foreslog Rutherford at kalde brintkernen en proton-et navn, han udtrykkeligt forbandt med Prouts proto hyle.,

Prout

Rutherford ‘ s hyldest til Prout virker alt for meget som en konventionel happy ending til at være sandt. Og der var faktisk en uheldig efterfølger. I første omgang syntes det, at de ikke-integrerende atomvaegten som var frustreret Prout ‘ s tilhængere kan forklares ved, at der i naturen mange elementer findes som blandinger af isotoper. Men det blev tydeligt, at selv rene isotoper ikke nødvendigvis har integrerede atommasseværdier., Som Marignac havde gættet, behøver et atoms masse ikke at svare til summen af masserne af dets komponentpartikler.

i 1915 forklarede den amerikanske fysiske kemiker .illiam Harkins hvorfor. Han hævdede, at for at holde de (elektrisk afstødende) protoner sammen i en atomkerne, omdannes en del af deres masse til bindende energi. Harkins kaldte dette’ massedefekten ‘ af kernen. Anvendelse af Albert Einsteins E=mc2 formel til den manglende masse indikerede, at store mængder energi skulle frigøres ved fission af tunge kerner eller ved fusion af lette.,

i 1940 ‘ erne blev kontrolleret nuklear fission gennemført med ødelæggende resultater for de japanske byer Hiroshima og Nagasaki. Kort efter viste astrofysikere som Fred Hoyle, hvordan nuklear fusion inde i solen og stjernerne frigiver langt større mængder energi, samtidig med at der skabes elementer tungere end brint. Prouts tro på, at alle elementerne er lavet af brint, blev således retfærdiggjort, men på en måde kunne han aldrig have drømt om., De ikke-integrerende atomare vægtværdier, som underminerede hans hypotese blev også forklaret, dels ved eksistensen af isotoper, og dels ved omdannelsen af nogle nukleare masse til bindende energi – ‘masse defekt’.

Der er endnu ingen internationalt aftalt måleenhed for massedefekter. I 1946 Amerikanske fysiker Enosh Witmer foreslået, at det bør være indstillet på 1/12 af den bindende energi af deuteron (kernen af brint, tunge isotop), der foreløbigt hedder det ‘prout’, men hans forslag fik lidt støtte. Måske 2015 kan være et godt år at genoplive det?