Toute la matière est-elle composée d’un seul élément?

Bien que les résultats récents du Grand collisionneur de Hadrons semblent soutenir le modèle standard de structure nucléaire, le débat sur la composition ultime de la matière continue. La théorie des cordes a des partisans (y compris Stephen Hawking), tout comme la supersymétrie. Pendant ce temps, la matière noire – bien que considérée comme essentielle par les astrophysiciens – reste énigmatique et insaisissable., De tels arguments ont une longue histoire.

Les premiers humains ont reconnu que les différents matériaux ont des propriétés différentes et les ont exploités de manière inventive, en utilisant du silex pour fabriquer des outils et de l’ocre rouge pour décorer les murs des grottes. La distinction entre différentes substances est devenue une fonction importante de la parole humaine – même les langues des peuples tribaux dits primitifs sont riches en termes aussi descriptifs. De même, catégoriser les substances comme « propres » ou « impures » constitue une pierre angulaire de nombreuses religions.,

Cependant, certains premiers textes philosophiques grecs soutiennent que la riche diversité du monde matériel provient toutes des modifications d’une seule substance élémentaire. Vers 580 avant JC Thalès de Milet a proposé que l’élément fondamental était l’eau. Un peu plus tard, Héraclite d’Éphèse a affirmé que c’était le feu, et il y avait d’autres prétendants. Finalement, un consensus a émergé – il y avait quatre éléments terrestres (feu, eau, terre et air) et un autre dans les cieux (éther). Avec l’autorité d’Aristote derrière elle, cette division quintuple a été acceptée pendant des siècles., Mais la croyance en un seul élément ultime (une vision du monde souvent appelée « monisme ») n’a jamais complètement disparu. En 1815, William Prout revint sur cette idée, avec des conséquences considérables.

Les preuves contre l’hypothèse de Prout accumulées tout au long du 19ème siècle, mais plusieurs chimistes éminents ont reconnu sa logique sous-jacente., Il a gagné en crédibilité grâce aux progrès de la science nucléaire au début du 20e siècle et, en 1913, Henry Moseley a démoli un obstacle majeur à sa réhabilitation en utilisant des rayons X pour ordonner les éléments par numéro atomique plutôt que par masse. Lorsque la première guerre mondiale a commencé Moseley enrôlé, et il est mort à Gallipoli en 1915. Cette année, ses découvertes sont commémorées au Musée de l’histoire des sciences de l’Université d’Oxford. Cependant, leur signification historique devient plus claire si elles sont considérées à côté de la proposition audacieuse Prout faite un siècle plus tôt.,

Marche de la paroisse

William Prout était une fin de développeur. Né dans une famille de fermiers du Gloucestershire en 1785, il reçut une éducation sommaire (probablement interrompue par des périodes de travaux agricoles). En 1805, à l’âge de 20 ans, il entra à l’école du révérend Thomas Jones à Bristol, et tout en enseignant les compétences de base aux juniors, il reçut un encadrement dans les matières avancées requises pour l’admission à l’Université d’Édimbourg. Il y parvint en 1808, à l’âge relativement mûr de 23 ans.

À Édimbourg, Prout logea chez Alexander Adam (dont il devait épouser la fille Agnès en 1814)., Ayant obtenu son diplôme de docteur en médecine en 1811, il passa la période habituelle à marcher dans les salles des hôpitaux de Londres avant d’obtenir une licence du Royal College of Physicians en 1812. Cette licence lui permet d’établir un cabinet à Londres, mais ce n’est pas sa seule ambition. Depuis ses jours à Bristol, il avait été activement impliqué dans la chimie, et en 1814, il était assez confiant pour donner quelques conférences de chimie privées. Ils l’aidèrent à entrer dans la communauté scientifique de Londres et il devint membre de la Royal Society en 1819.,

Tout au long de sa carrière médicale, Prout a étudié des phénomènes chimiques ayant une signification biologique. Il a prouvé que les sucs gastriques contiennent de l’acide chlorhydrique, et sa division tripartite des nutriments en « saccharineux » (glucides), « oléagineux » (graisses) et « albumineux » (protéines) a été largement acceptée. Les analyses chimiques ont été au cœur de son étude des conditions affectant le système urinaire, comme le diabète et les calculs rénaux, et son traité de 1821 sur eux a eu cinq éditions en anglais et a été traduit en français et en allemand., Cependant, ce sont ses spéculations sur l’unité de la matière qui ont eu le plus d’impact.

Spéculations audacieuses

La première publication de Prout sur ce sujet parut (anonymement) en 1815. Il a commencé  » L’auteur de l’essai suivant le soumet au public avec la plus grande méfiance. Il espère, cependant’que son importance sera vu ». Son titre Sur la relation entre les gravités spécifiques des corps dans leurs états gazeux et les poids de leurs atomes peut sembler incontestable, mais à l’époque, c’était un sujet brûlant.,

La théorie atomique chimique, que John Dalton de Manchester a basée sur la combinaison des poids des éléments, avait à peine une décennie. Les expériences de Joseph Gay-Lussac à Paris sur la combinaison de volumes d’éléments gazeux étaient encore plus récentes. Les divergences apparentes entre les calculs gravimétriques et volumétriques ont intrigué de nombreux chimistes. (Cette confusion a continué pendant des décennies, jusqu’à ce que la signification de la loi d’Avogadro soit comprise.,) Prout a tenté de clarifier les choses en rassemblant des informations sur les poids et volumes relatifs dans lesquels les éléments se combinaient, mais son article avait une piqûre dans la queue.

La plupart des données numériques de Prout proviennent de publications d’éminents chimistes, bien qu’il ait lui-même répété de nombreuses mesures. Ils voient med pour montrer que les poids atomiques (par rapport à l’hydrogène) avaient des valeurs intégrales, et il se souvient: « J’avais souvent observé l’approche proche des nombres ronds avant d’être amené à étudier le sujet »., Il a également noté que de nombreux poids atomiques étaient divisibles par quatre (et certains par huit), et s’est demandé si toutes les substances pouvaient être constituées (« composées ») d’hydrogène et d’oxygène.

Cette question radicale était absente de l’article suivant de Prout, publié en 1816, qui était principalement consacré à la correction d’erreurs mineures dans son prédécesseur. Cependant, il a conclu avec une autre spéculation audacieuse., Après avoir répété que tous les poids atomiques (par rapport à l’hydrogène) semblaient être des nombres entiers, Prout a suggéré que l’hydrogène était la matière primaire fondamentale à partir de laquelle toutes les substances étaient composées – le proto hyle proposé par les philosophes grecs anciens comme Thalès.

Cette pensée n’était, a reconnu Prout, « pas tout à fait nouvelle ». Plusieurs de ses contemporains soupçonnaient que de nombreux soi-disant éléments n’étaient pas de simples substances. (Humphry Davy – qui en avait découvert plusieurs-préférait le terme « corps non composés ».,) Néanmoins, l’idée que tous les éléments supposés étaient constitués d’atomes d’hydrogène est devenue connue parmi les chimistes sous le nom d’hypothèse de Prout. Bien que souvent critiqué, il continue de stimuler le débat longtemps après sa mort en 1850.

Illusion confusion

L’un des premiers partisans était le chimiste écossais Thomas Thomson, dont les mesures de poids atomique semblaient compatibles avec l’hypothèse. Cependant, l’éminent chimiste suédois Jöns Berzelius n’était pas d’accord, critiquant la technique expérimentale de Thomson dans un langage intempérant. Malgré l’opposition de Berzelius, l’intérêt pour l’idée de Prout persista., Au cours des années 1840 et 1850, Jean-Baptiste Dumas – le principal chimiste français de l’époque – y a sérieusement réfléchi. Mais le belge Jean Stas, bien qu’initialement sympathique, a conclu en 1860 que l’hypothèse était « pure illusion ». Après avoir mesuré de nombreux poids atomiques avec précision, il a constaté qu’ils s’écartaient considérablement des nombres entiers.

Bien que les résultats de Stas aient été impressionnants, le Suisse Jean Marignac a fait valoir que la proximité de tant de poids atomiques avec des valeurs intégrales était statistiquement peu probable., Il a également proposé (comme Dumas l’avait fait) que les poids atomiques non intégraux pourraient être expliqués si les particules élémentaires ultimes avaient une masse exactement égale à la moitié ou au quart d’un atome d’hydrogène. Enfin, Marignac a suggéré que la masse d’un atome composite pourrait être inférieure aux masses combinées de ses composants – une spéculation sauvage qui s’est finalement avérée correcte.

Pendant ce temps, les découvertes en physique ont généré de nouveaux arguments pour la divisibilité des atomes., Les spectroscopistes anglais Norman Lockyer et William Crookes ont affirmé que les spectres d’émission anormaux révélaient la dégradation des éléments dans des conditions extrêmes – à l’intérieur du soleil et des étoiles, ou dans des décharges électriques à haute tension. En 1886, Crookes a suggéré que la composante fondamentale de la matière était quelque chose comme le proto hyle de Prout (également connu sous le nom de protyle) qui générait les éléments plus lourds par un processus évolutif tout en refroidissant des températures stellaires aux températures terrestres.,

L’idée de l’évolution atomique a pris de l’ampleur en 1902 lorsque le physicien néo-zélandais Ernest Rutherford et le chimiste anglais Frederick Soddy, travaillant à l’Université McGill au Canada, ont annoncé que la désintégration radioactive impliquait la transmutation d’un élément en un autre. Soddy a décidé plus tard que le statut de plusieurs substances radioactives précédemment considérées comme des éléments était problématique. En 1913, il était fatigué d’écrire « éléments chimiquement identiques et non séparables par des méthodes chimiques », et a commencé à les appeler « isotopes » -un nom suggéré par le médecin écossais Margaret Todd., La même année, les travaux d’Henry Moseley sur les spectres de rayons X ont commencé à mettre de l’ordre dans ce tableau confus d’entités.

les numéros Atomiques découvert

Contrairement à Prout, Moseley a grandi dans le milieu universitaire., Son père et son grand-père paternel étaient professeurs de sciences (le premier à l’Université d’Oxford, le second au King’s College de Londres), tandis que son grand-père maternel était expert en mollusques et membre de la Royal Society. À Oxford, Moseley brilla en mathématiques et en sciences (et rama pour son collège). Après avoir obtenu son diplôme en 1910, il a été nommé professeur de physique à l’Université de Manchester, et a commencé ses recherches alors que Rutherford y développait la théorie de l’atome nucléaire.,

En 1913, Moseley a commencé à tracer les raies spectrales produites lorsque les rayons X sont diffractés à travers un réseau cristallin. Ses rayons x étaient générés en dirigeant des rayons cathodiques (électrons) sur des cibles fabriquées à partir de divers éléments, et à l’été 1914, il avait bombardé des échantillons de nombreux métaux. Il a découvert que les fréquences de la ligne d’ondes courtes la plus intense dans le spectre des rayons X de chaque élément pouvaient être liées, par une simple équation, à la position de cet élément dans le tableau périodique (représenté par un entier qu’il a appelé son « numéro atomique »).,

Dans le tableau périodique, la plupart des éléments ont été placés par ordre croissant de poids atomique. Mais pour quelques paires d’éléments, comme l’argon et le potassium, l’ordre de poids a dû être inversé pour les localiser dans les groupes les plus appropriés. L’équation de Moseley a expliqué ces anomalies, fournissant des bases solides pour la croyance que le numéro atomique était plus fondamental que le poids atomique.

Les calculs de Moseley ont révélé des lacunes dans la liste des numéros atomiques, qu’il a assignés à des éléments encore inconnus., (Certains d’entre eux avaient longtemps été suspectés d’exister, et la plupart ont ensuite été isolés par des moyens chimiques.) Pendant ce temps, à la fin lourde du tableau périodique, il y avait apparemment plus d’éléments que de numéros atomiques – un problème que Soddy abordait déjà avec son concept de l’isotope.

Moseley n’a pas vu tous les résultats de sa percée – il a été abattu par un tireur d’élite en 1915 alors qu’il servait dans les Royal Engineers., Mais peu après la fin de la guerre, l’équipe de Rutherford fit des découvertes qui révélèrent les fondements physiques des numéros atomiques de Moseley et, incidemment, ressuscitèrent la réputation de Prout.

Les nombres atomiques intégraux semblaient plus compatibles avec l’hypothèse de Prout que les poids atomiques discutables. Mais que représentaient réellement ces chiffres? Rutherford (et indépendamment, le physicien néerlandais Antonius Van den Broek), a suggéré que le numéro atomique d’un élément était égal à la charge positive nette sur son noyau., Si oui, les isotopes de Soddy étaient des atomes dont les noyaux avaient la même charge mais des masses différentes. Le spectrographe de masse, développé par le chimiste britannique Francis Aston en 1919, l’a confirmé en identifiant de nombreux isotopes, et finalement en séparant physiquement certains d’entre eux.

En 1920, Rutherford avait conclu que tous les noyaux atomiques les plus lourds contenaient des noyaux d’hydrogène. Il a déduit cela d’une expérience dans laquelle des particules alpha (noyaux d’hélium) tirées sur des atomes d’azote produisaient des atomes d’un isotope de l’oxygène, plus des noyaux d’hydrogène., Il semblait que les noyaux d’hydrogène étaient éliminés des atomes les plus lourds – mais apparemment, il y avait aussi d’autres composants. Les masses nucléaires étaient trop grandes pour être comptabilisées par le nombre de noyaux d’hydrogène nécessaires pour fournir leurs charges positives, et Rutherford soupçonnait que la masse supplémentaire provenait de particules neutres. (Ces « neutrons » ont été détectés plus tard par l’assistant de Rutherford, James Chadwick.) Passant en revue ces questions lors de la réunion de l’Association britannique de 1920, Rutherford a suggéré d’appeler le noyau d’hydrogène un proton-un nom qu’il a lié explicitement au proto hyle de Prout.,

Le Prout

L’hommage de Rutherford à Prout semble trop semblable à une fin heureuse conventionnelle pour être vrai. Et en effet, il y avait une suite malheureuse. Au départ, il semblait que les poids atomiques non intégraux qui avaient frustré les partisans de Prout pouvaient s’expliquer par le fait que dans la nature de nombreux éléments existent sous forme de mélanges d’isotopes. Mais il est devenu évident que même les isotopes purs n’ont pas nécessairement des valeurs de masse atomique intégrales., Comme Marignac l’avait deviné, la masse d’un atome n’a pas besoin d’être égale à la somme des masses de ses particules constitutives.

En 1915, le physicien américain William Harkins explique pourquoi. Il a fait valoir que pour maintenir les protons (électriquement répulsifs) ensemble dans un noyau atomique, une partie de leur masse est transformée en énergie de liaison. Harkins a appelé cela le « défaut de masse » du noyau. L’application de la formule E=mc2 d’Albert Einstein à la masse manquante indiquait que de grandes quantités d’énergie devaient être libérées par la fission de noyaux lourds ou par la fusion de noyaux légers.,

Dans les années 1940, la fission nucléaire contrôlée a été accomplie, avec des résultats dévastateurs pour les villes japonaises d’Hiroshima et de Nagasaki. Peu de temps après, des astrophysiciens comme Fred Hoyle ont montré comment la fusion nucléaire à l’intérieur du soleil et des étoiles libère des quantités d’énergie beaucoup plus grandes, tout en créant des éléments plus lourds que l’hydrogène. La conviction de Prout que tous les éléments sont faits d’hydrogène a donc été confirmée, bien qu’il n’ait jamais pu en rêver., Les valeurs de poids atomiques non intégrales qui ont miné son hypothèse ont également été expliquées, en partie par l’existence d’isotopes, et en partie par la conversion d’une certaine masse nucléaire en énergie de liaison – le « défaut de masse ».

Il n’existe pas encore d’unité de mesure convenue au niveau international pour les défauts de masse. En 1946, le physicien américain Enos Witmer a proposé qu’il soit fixé à 1/12 de l’énergie de liaison du deutéron (le noyau de l’isotope lourd de l’hydrogène), et l’a provisoirement nommé « le prout », mais sa suggestion a obtenu peu de soutien. Peut-être que 2015 pourrait être une bonne année pour le relancer?