¿toda la materia está hecha de un solo elemento?

aunque los resultados recientes del Gran Colisionador de Hadrones parecen apoyar el modelo estándar de estructura nuclear, el debate sobre la composición última de la materia continúa. La teoría de cuerdas tiene partidarios (incluyendo a Stephen Hawking), al igual que la supersimetría. Mientras tanto, la materia oscura – aunque considerada esencial por los astrofísicos – sigue siendo enigmática y esquiva., Tales argumentos tienen una larga pre-historia.

los primeros humanos reconocieron que los diferentes materiales tienen diferentes propiedades, y los explotaron inventivamente, usando pedernal para hacer herramientas y ocre rojo para decorar las paredes de las cuevas. Distinguir entre diferentes sustancias se convirtió en una función importante del habla humana – incluso las lenguas de los llamados pueblos tribales primitivos son ricas en términos descriptivos. Del mismo modo, categorizar las sustancias como «limpias» o «impuras» forma una piedra angular de muchas religiones.,

sin embargo, algunos primeros textos filosóficos Griegos argumentan que la rica diversidad del mundo material deriva de modificaciones de una sola sustancia elemental. Alrededor de 580 AC Tales de Mileto propuso que el elemento fundamental era el agua. Un poco más tarde, Heráclito de Éfeso afirmó que era fuego, y había otros contendientes. Finalmente surgió un consenso: había cuatro elementos terrestres (fuego, agua, tierra y aire) y uno más en los cielos (éter). Con la Autoridad de Aristóteles detrás de ella, esta división de cinco veces fue aceptada durante siglos., Pero la creencia en un único elemento último (una visión del mundo a menudo llamada «monismo») nunca desapareció del todo. En 1815 William Prout revisitó la idea, con consecuencias de largo alcance.

evidencia contra la hipótesis de Prout acumulada a lo largo del siglo XIX, sin embargo, varios químicos eminentes reconocieron su lógica subyacente., Ganó Nueva credibilidad de los avances de principios del siglo 20 en la ciencia nuclear, y en 1913 Henry Moseley demolió un obstáculo importante para su rehabilitación mediante el uso de rayos x para ordenar los elementos por número atómico en lugar de masa. Cuando comenzó la Primera Guerra Mundial Moseley se alistó, y murió en Gallipoli en 1915. Este año, sus descubrimientos se conmemoran en el Museo de Historia de la ciencia de la Universidad de Oxford. Sin embargo, su importancia histórica se hace más clara si se las considera junto con la audaz propuesta que Prout hizo un siglo antes.,

Walking the wards

William Prout fue un desarrollador tardío. Nacido en la familia de un granjero de Gloucestershire en 1785, recibió una educación incompleta (probablemente interrumpida por períodos de trabajo agrícola). En 1805, a los 20 años, se unió a la escuela del reverendo Thomas Jones en Bristol, y mientras enseñaba las habilidades básicas de los juniors recibió entrenamiento en materias avanzadas requeridas para la admisión a la Universidad de Edimburgo. Logró esto en 1808, a la edad relativamente madura de 23 años.

en Edimburgo, Prout se alojó con Alexander Adam (cuya hija Agnes se casaría en 1814)., Después de graduarse como doctor en medicina en 1811, pasó el período habitual caminando por las salas de los hospitales de Londres antes de calificar como licenciado del Royal College Of Physicians en 1812. Esta Licencia le permitió establecer una práctica en Londres, pero esa no era su única ambición. Desde sus días en Bristol había estado activamente involucrado con la química, y en 1814 tenía la confianza suficiente para ofrecer algunas conferencias químicas privadas. Le ayudaron a obtener la admisión en la comunidad científica de Londres, y se convirtió en miembro de la Royal Society en 1819.,

a lo largo de su carrera médica, Prout investigó fenómenos químicos con significado biológico. Demostró que los jugos gástricos contienen ácido clorhídrico, y su división tripartita de nutrientes en ‘sacarinosos’ (carbohidratos), ‘oleaginosos’ (grasas) y ‘albuminosos’ (proteínas) fue ampliamente aceptada. Los análisis químicos fueron fundamentales para su estudio de las condiciones que afectan el sistema urinario, como la diabetes y los cálculos renales, y su tratado de 1821 sobre ellos tenía cinco ediciones en inglés y fue traducido al francés y alemán., Sin embargo, fueron sus especulaciones sobre la unidad de la materia las que tuvieron el mayor impacto.

audaces speculations

La primera publicación de Prout sobre este tema apareció (anónimamente) en 1815. Comenzó ‘el autor del siguiente ensayo lo somete al público con la mayor desconfianza. Confía, sin embargo, en que se vea su importancia». Su título sobre la relación entre las gravidades específicas de los cuerpos en sus estados gaseosos y los pesos de sus átomos podría parecer indiscutible, pero en ese momento este era un tema candente.,

La teoría química atómica, que John Dalton de Manchester basó en la combinación de pesos de elementos, tenía apenas una década de antigüedad. Los experimentos de Joseph Gay-Lussac en París sobre la combinación de volúmenes de elementos gaseosos fueron aún más recientes. Las discrepancias aparentes entre los cálculos gravimétricos y volumétricos desconcertaron a muchos químicos. (Esta confusión continuó durante décadas, hasta que se entendió el significado de la Ley de Avogadro., Prout intentó aclarar las cosas recopilando información sobre los pesos y volúmenes relativos en los que se combinaban los elementos, pero su artículo tenía un aguijón en la cola.

La mayoría de los datos numéricos de Prout provenían de publicaciones de eminentes químicos, aunque él mismo había repetido muchas mediciones. Ven med para demostrar que los pesos atómicos (relativos al hidrógeno) tenían valores integrales, y recordó, «a menudo había observado el acercamiento cercano a los números redondos antes de que me guiaran a investigar el tema»., También señaló que muchos pesos atómicos eran divisibles por cuatro (y algunos por ocho), y se preguntó si todas las sustancias podrían estar compuestas (‘compuestas’) de hidrógeno y oxígeno.

esta consulta radical estaba ausente del siguiente documento de Prout, publicado en 1816, que se dedicó principalmente a corregir errores menores en su predecesor. Sin embargo, concluyó con otra especulación audaz., Después de reiterar que todos los pesos atómicos (relativos al hidrógeno) parecían ser números enteros, Prout sugirió que el hidrógeno era la materia primaria fundamental a partir de la cual se componían todas las sustancias, el proto hyle propuesto por los antiguos filósofos griegos como Thales.

Este pensamiento era, Prout reconoció, ‘no del todo nuevo’. Varios de sus contemporáneos sospechaban que muchos de los llamados elementos no eran simples sustancias. (Humphry Davy – que había descubierto varios de ellos-prefería el término «cuerpos no compuestos»., Sin embargo, la idea de que todos los supuestos elementos estaban compuestos de átomos de hidrógeno se conoció entre los químicos como la hipótesis de Prout. Aunque frecuentemente criticado, continuó estimulando el debate mucho después de su muerte en 1850.

ilusión confusión

uno de los primeros partidarios fue el químico escocés Thomas Thomson, cuyas medidas de peso atómico parecían compatibles con la hipótesis. Sin embargo, el eminente químico sueco Jöns Berzelius no estuvo de acuerdo, criticando la técnica experimental de Thomson en un lenguaje intemperante. A pesar de la oposición de Berzelius, el interés en la idea de Prout persistió., Durante las décadas de 1840 y 1850, Jean-Baptiste Dumas, El principal químico francés de la época, lo consideró seriamente. Pero el belga Jean Stas, aunque inicialmente simpático, concluyó en 1860 que la hipótesis era ‘pura ilusión’. Habiendo medido muchos pesos atómicos con precisión, encontró que se desviaban significativamente de los números enteros.

aunque los resultados de Stas fueron impresionantes, el suizo Jean Marignac argumentó que la cercanía de tantos pesos atómicos a los valores integrales era estadísticamente improbable que hubiera surgido por casualidad., También propuso (como Dumas había hecho) que los pesos atómicos no integrales podrían explicarse si las partículas elementales últimas tenían una masa exactamente la mitad, o un cuarto, de un átomo de hidrógeno. Finalmente, Marignac sugirió que la masa de un átomo compuesto podría ser menor que las masas combinadas de sus componentes, una especulación salvaje que finalmente resultó correcta.

mientras tanto, los descubrimientos en física generaron nuevos argumentos para la divisibilidad de los átomos., Los espectroscopistas ingleses Norman Lockyer y William Crookes afirmaron que los espectros de emisión anómalos revelaban la descomposición de elementos bajo condiciones extremas – dentro del sol y las estrellas, o en descargas eléctricas de alto voltaje. En 1886 Crookes sugirió que el componente fundamental de la materia era algo así como el proto hyle de Prout (también conocido como protilo) que generaba los elementos más pesados por un proceso evolutivo mientras se enfriaba de temperaturas estelares a terrestres.,

la idea de la evolución atómica cobró impulso en 1902 cuando el físico neozelandés Ernest Rutherford y el químico Inglés Frederick Soddy, trabajando en la Universidad McGill de Canadá, anunciaron que la desintegración radiactiva implicaba la transmutación de un elemento en otro. Soddy decidió más tarde que el estado de varias sustancias radiactivas que anteriormente se consideraban elementos era problemático. En 1913 estaba cansado de escribir «elementos químicamente idénticos e no separables por métodos químicos», y comenzó a llamarlos «isótopos», un nombre sugerido por la doctora Escocesa Margaret Todd., En el mismo año, el trabajo de Henry Moseley en los espectros de rayos x comenzó a poner orden en este confuso conjunto de entidades.

los números atómicos descubiertos

a diferencia de Prout, Moseley creció en la academia., Su padre y su abuelo paterno eran profesores de Ciencias (el PRIMERO en la Universidad de Oxford, el segundo en el King’s College de Londres), mientras que su abuelo materno era un experto en moluscos y miembro de la Royal Society. En Oxford, Moseley brilló en matemáticas y ciencias (y remó para su universidad). Al graduarse en 1910 fue nombrado profesor de física en la Universidad de Manchester, y comenzó su investigación como Rutherford estaba desarrollando la teoría del átomo nuclear allí.,

en 1913 Moseley comenzó a trazar las líneas de espectro producidas cuando los rayos x son difractados a través de una red de cristal. Sus rayos x fueron generados dirigiendo rayos catódicos (electrones) sobre objetivos hechos de varios elementos, y para el verano de 1914 había bombardeado muestras de muchos metales. Encontró que las frecuencias de la línea de onda corta más intensa en el espectro de rayos x de cada elemento podrían estar vinculadas, por una simple ecuación, a la posición de ese elemento en la Tabla periódica (representada por un entero que llamó su ‘número atómico’).,

en la Tabla periódica, la mayoría de los elementos fueron colocados en orden ascendente de peso atómico. Pero para algunos pares de elementos, como el argón y el potasio, el orden de peso tuvo que invertirse para ubicarlos en los grupos más apropiados. La ecuación de Moseley explicó estas anomalías, proporcionando bases sólidas para la creencia de que el número atómico era más fundamental que el peso atómico.

Los cálculos de Moseley revelaron lagunas en la lista de números atómicos, que asignó a elementos aún no descubiertos., (Algunos de estos habían sido sospechados durante mucho tiempo para existir, y la mayoría fueron aislados posteriormente por medios químicos. Mientras tanto, en el extremo pesado de la Tabla periódica, aparentemente había más elementos que números atómicos – un problema que Soddy ya estaba abordando con su concepto del isótopo.

Moseley no vio los resultados completos de su avance – fue disparado por un francotirador en 1915 mientras servía con los Ingenieros Reales., Pero poco después de que la guerra terminó, el equipo de Rutherford hizo descubrimientos que revelaron los fundamentos físicos de los números atómicos de Moseley, y por cierto resucitó la reputación de Prout.

Los números atómicos integrales parecían más compatibles con la hipótesis de Prout que los pesos atómicos discutibles. Pero, ¿qué representaban realmente esos números? Rutherford (e independientemente, el físico holandés Antonius van den Broek), sugirió que el número atómico de un elemento era igual a la carga neta positiva en su núcleo., Si es así, los isótopos de Soddy eran átomos cuyos núcleos tenían la misma carga pero masas diferentes. El espectrógrafo de masas, desarrollado por el químico británico Francis Aston en 1919, confirmó esto mediante la identificación de muchos isótopos, y finalmente separando físicamente algunos de ellos.

en 1920 Rutherford había concluido que todos los núcleos atómicos más pesados contenían núcleos de hidrógeno. Dedujo esto de un experimento en el que las partículas alfa (núcleos de helio) disparadas a átomos de nitrógeno produjeron átomos de un isótopo de oxígeno, más núcleos de hidrógeno., Parecía que los núcleos de hidrógeno fueron eliminados de los átomos más pesados, pero aparentemente también había otros componentes. Las masas nucleares eran demasiado grandes para ser explicadas por el número de núcleos de hidrógeno necesarios para proporcionar sus cargas positivas, y Rutherford sospechó que la masa extra provenía de partículas neutras. (Estos’ neutrones ‘ fueron detectados más tarde por el Asistente de Rutherford, James Chadwick. Revisando estos temas en la reunión de la Asociación Británica de 1920, Rutherford sugirió llamar protón al núcleo de hidrógeno, un nombre que vinculó explícitamente con proto hyle de Prout.,

El homenaje de Rutherford a Prout parece demasiado como un final feliz convencional para ser cierto. Y de hecho, hubo una desafortunada secuela. Inicialmente, parecía que los pesos atómicos no integrales que habían frustrado a los partidarios de Prout podrían explicarse por el hecho de que en la naturaleza existen muchos elementos como mezclas de isótopos. Pero se hizo evidente que incluso los isótopos puros no necesariamente tienen valores integrales de masa atómica., Como Marignac había adivinado, la masa de un átomo no necesita ser igual a la suma de las masas de sus partículas Componentes.

en 1915 el físico químico estadounidense William Harkins explicó por qué. Argumentó que para mantener los protones (eléctricamente repulsivos) juntos en un núcleo atómico, parte de su masa se transforma en energía de unión. Harkins llamó a esto el «defecto de masa» del núcleo. La aplicación de la fórmula E=mc2 de Albert Einstein a la masa faltante indicó que grandes cantidades de energía deberían ser liberadas por la fisión de núcleos pesados, o por la fusión de núcleos ligeros.,

en la década de 1940 se logró la fisión nuclear controlada, con resultados devastadores para las ciudades japonesas de Hiroshima y Nagasaki. Poco después, astrofísicos como Fred Hoyle mostraron cómo la fusión nuclear dentro del sol y las estrellas libera cantidades mucho mayores de energía, mientras que también crea elementos más pesados que el hidrógeno. La creencia de Prout de que todos los elementos están hechos de hidrógeno fue así reivindicada, aunque de una manera que nunca podría haber soñado., Los valores de peso atómico no integral que socavaron su hipótesis también se explicaron, en parte por la existencia de isótopos, y en parte por la conversión de cierta masa nuclear en energía de unión – el «defecto de masa».

hasta el momento no existe una unidad de medida acordada internacionalmente para los defectos de masa. En 1946 el físico estadounidense Enos Witmer propuso que se fijara en 1/12 de la energía de enlace del deuterón (el núcleo del isótopo pesado del hidrógeno), y provisionalmente lo nombró «prout», pero su sugerencia ganó poco apoyo. Tal vez 2015 podría ser un buen año para revivirlo?