minden anyag készült csak egy elem?

bár a Nagy Hadronütköztető legfrissebb eredményei úgy tűnik, hogy támogatják a nukleáris szerkezet standard modelljét, az anyag végső összetételéről folytatott vita folytatódik. A húrelméletnek vannak támogatói (beleértve Stephen Hawkingot is), csakúgy, mint a szuperszimmetria. Eközben a sötét anyag – bár az asztrofizikusok elengedhetetlennek tartják – rejtélyes és megfoghatatlan marad., Az ilyen érveknek hosszú története van.

a legkorábbi emberek felismerték, hogy a különböző anyagok különböző tulajdonságokkal rendelkeznek, és inventively módon hasznosították őket, kovakő segítségével szerszámokat és vörös okkereket készítettek a barlangfalak díszítésére. A különböző anyagok megkülönböztetése az emberi beszéd fontos funkciójává vált-még az úgynevezett primitív törzsi népek nyelvei is gazdagok ilyen leíró kifejezésekben. Hasonlóképpen, az anyagok “tiszta” vagy “tisztátalan” kategóriába sorolása számos vallás sarokkövét képezi.,

néhány korai görög filozófiai szöveg azonban azt állítja, hogy az anyagi világ gazdag sokfélesége egyetlen elemi anyag módosításából származik. E. 580 körül Miletosz Thalész javasolta, hogy az alapvető elem a víz. Valamivel később az efézusi Heraklitus azt állította, hogy tűz volt, és voltak más versenyzők is. Végül konszenzus alakult ki – négy földi elem (tűz, víz, föld és levegő) és még egy az égben (éter). Arisztotelész hatalmával mögötte ezt az ötszörös felosztást évszázadok óta elfogadták., De az egyetlen végső elembe vetett hit (a világnézet, amelyet gyakran “monizmusnak” neveznek) soha nem tűnt el teljesen. 1815-ben William Prout felülvizsgálta az ötletet, messzemenő következményekkel.

bizonyíték Prout 19.században felhalmozódott hipotézise ellen, de számos kiváló kémikus elismerte alapjául szolgáló logikáját., Új hitelességet szerzett a 20. század elején a nukleáris tudomány fejlődésében, 1913-ban pedig Henry Moseley lebontotta a rehabilitáció egyik fő akadályát azáltal, hogy röntgensugarakkal rendelte meg az elemeket atomszám helyett tömeg. Az első világháború kitörésekor Moseley bevonult, és 1915-ben Gallipoliban halt meg. Ebben az évben felfedezéseit az Oxfordi Egyetem Természettudományi Múzeumában emlékezik meg. Történelmi jelentőségük azonban világosabbá válik, ha az egy évszázaddal korábban tett merész javaslat mellett tekintik őket.,

Walking the wards

William Prout késői Fejlesztő volt. 1785-ben született egy Gloucestershire-I farmer családjában, vázlatos oktatást kapott (valószínűleg megszakította a mezőgazdasági munka varázslatai). 1805-ben, 20 éves korában csatlakozott a tiszteletes Thomas Jones iskolájához Bristolban, miközben a juniorok alapvető készségeit tanította, az Edinburgh-i egyetemre való felvételhez szükséges fejlett tantárgyakban kapott coachingot. Ezt 1808-ban, viszonylag érett, 23 éves korában érte el.

Edinburgh-ban Prout Ádám Sándorhoz (akinek lányát, Ágnest 1814-ben feleségül vette) csatlakozott., Miután 1811-ben orvosdoktorként végzett, a szokásos időszakot a londoni kórházakban járta, mielőtt 1812-ben a Royal College of Physicians licencévé vált. Ez az engedély lehetővé tette számára, hogy Londonban gyakorlatot hozzon létre, de nem ez volt az egyetlen ambíciója. Bristolban töltött napjai óta aktívan részt vett a kémiában, és 1814-ig elég magabiztos volt ahhoz, hogy magán kémiai előadásokat tartson. 1819-ben a Royal Society tagja lett.,

orvosi karrierje során Prout biológiai jelentőségű kémiai jelenségeket vizsgált. Bebizonyította, hogy a gyomornedvek tartalmaz sósavat, majd a háromoldalú osztály a tápanyagok a ‘saccharinous’ (szénhidrát), ‘olajtartalmú’ (kövér), valamint a ‘albuminous’ (fehérje) széles körben elfogadott volt. A kémiai elemzések központi szerepet játszottak a húgyúti rendszert érintő állapotok, például a cukorbetegség és a vesekövek tanulmányozásában, és a róluk szóló 1821-es értekezésének öt angol nyelvű kiadása volt, és francia és német nyelvre fordították le., Azonban az anyag egységére vonatkozó spekulációi voltak a legnagyobb hatással.

Bold speculations

Prout első kiadványa ebben a témában megjelent (névtelenül) 1815-ben. Úgy kezdődött “a szerző a következő esszé azt állítja, hogy a nyilvánosság a legnagyobb diffidence. Bízik azonban abban, hogy ennek fontosságát látni fogják”. A gázállapotukban lévő testek sajátos gravitációi és atomjaik súlyai közötti kapcsolatról szóló címe vitathatatlannak tűnhet, de akkoriban ez egy forró téma volt.,

a kémiai atomelmélet, amelyet John Dalton az elemek súlyának kombinálása alapján alkotott, alig egy évtizedes volt. Joseph Gay-Lussac párizsi kísérletei a gáznemű elemek egyesítéséről még frissebbek voltak. A gravimetrikus és térfogati számítások közötti nyilvánvaló eltérések sok vegyészt zavarba ejtettek. (Ez a zűrzavar évtizedekig folytatódott, amíg meg nem értették Avogadro törvényének jelentőségét.,) Prout azzal próbálta tisztázni a dolgokat, hogy információkat gyűjtött össze az elemek egymáshoz viszonyított súlyáról és térfogatáról, de a cikke szúrt a farkában.

Prout numerikus adatainak nagy része kiváló vegyészek kiadványaiból származott, bár maga is számos mérést megismételt. Azt látják, hogy az atomtömegek (a hidrogénhez viszonyítva) szerves értékekkel rendelkeznek, és emlékeztetett arra, hogy “gyakran megfigyeltem a kerek számok közelebbi megközelítését, mielőtt a téma kivizsgálására vezettek”., Azt is megjegyezte, hogy sok atom súlyok voltak osztható négy (illetve egy nyolc), s arra gondolt, hogy az összes anyagok alkotják (‘súlyosbítja’) a hidrogén, oxigén.

Ez a radikális lekérdezés hiányzott Prout következő, 1816-ban megjelent tanulmányából, amelyet elsősorban az elődje kisebb hibáinak kijavítására fordítottak. Azonban egy másik merész spekulációval fejezte be., Miután megismételte, hogy az összes atomsúly (a hidrogénhez viszonyítva) teljes számnak tűnik, Prout azt javasolta, hogy a hidrogén az alapvető elsődleges anyag, amelyből minden anyagot összeállítottak – az ókori görög filozófusok által javasolt proto hyle, mint Thales.

Ez a gondolat, Prout elismerte, “nem teljesen új”. Számos kortársa gyanította, hogy sok úgynevezett elem nem egyszerű anyag. (Humphry Davy – aki közülük többet fedezett fel-a “rendezetlen testek” kifejezést részesítette előnyben.,) Mindazonáltal az a gondolat, hogy az összes feltételezett elem hidrogénatomból áll, Prout hipotéziseként vált ismertté a vegyészek körében. Bár gyakran kritizálták, 1850-ben bekövetkezett halála után is tovább élénkítette a vitát.

Illusion confusion

az egyik korai támogatója a skót kémikus Thomas Thomson volt, akinek atomsúlymérései kompatibilisnek tűntek a hipotézissel. A jeles svéd kémikus, Jöns Berzelius azonban nem értett egyet, kifogásolva Thomson kísérleti technikáját az intemperate nyelvben. Berzelius ellenállása ellenére Prout ötlete továbbra is érdekelte., Az 1840-es és 1850 – es években Jean – Baptiste Dumas-a korszak vezető francia kémikusa-komoly figyelmet fordított rá. De a belga Jean Stas, bár kezdetben szimpatikus, 1860-ban arra a következtetésre jutott, hogy a hipotézis “tiszta illúzió”. Miután pontosan megmérte sok atomsúlyt, úgy találta, hogy jelentősen eltérnek az egész számoktól.

bár Stas eredményei lenyűgözőek voltak, a svájci Jean Marignac azzal érvelt, hogy oly sok atomsúly közelsége az integrált értékekhez statisztikailag valószínűleg nem véletlenül merült fel., Azt is javasolta (ahogy Dumas tette), hogy a nem integrált atomsúlyokat meg lehet magyarázni, ha a végső elemi részecskék tömege pontosan fele, vagy negyede egy hidrogénatomnak. Végül, Marignac azt javasolta, hogy egy összetett atom tömege kisebb lehet, mint komponenseinek kombinált tömege – egy vad spekuláció, amely végül helyesnek bizonyult.

eközben a fizika felfedezései új érveket generáltak az atomok oszthatóságára., Az angol spektroszkópikusok Norman Lockyer és William Crookes azt állították, hogy az anomális emissziós spektrumok extrém körülmények között – a nap és a csillagok belsejében, vagy nagyfeszültségű elektromos kisülésekben-fedezték fel az elemek lebomlását. 1886-ban Crookes azt javasolta, hogy az anyag alapvető összetevője olyan, mint Prout proto hyle (más néven protyle), amely a nehezebb elemeket evolúciós folyamattal generálta, miközben a csillagokról a földi hőmérsékletekre hűtötték.,

Az ötlet, hogy az atomi evolúció lendületet 1902-ben, amikor az Új-Zélandi fizikus Ernest Rutherford, valamint az angol vegyész, Frederick Soddy, a munka, a Kanadai McGill Egyetem bejelentette, hogy a radioaktív bomlás benne transzmutáció az egyik elem a másikat. Soddy később úgy döntött, hogy a korábban elemeknek tartott több radioaktív anyag állapota problémás. Által 1913 fáradt volt az írás elemeit kémiailag azonos, egymástól szét nem választható kémiai módszerek, valamint kezdte nevezni őket izotópok’ – nevet javasolta a Skót orvos Margaret Todd., Ugyanebben az évben Henry Moseley röntgenspektrumokkal kapcsolatos munkája megkezdte a rendet ebben a zavaró entitásban.

felfedezett atomi számok

a Prout-tól eltérően Moseley az akadémián nőtt fel., Apja és apai nagyapja tudományos professzorok voltak (előbbi az Oxfordi Egyetemen, utóbbi a londoni King ‘ s College-ban), míg anyai nagyapja a Royal Society szakértője volt. Oxfordban Moseley a matematikában és a tudományban (és a főiskolára evezett) ragyogott. 1910-ben diplomázott a Manchesteri Egyetem fizikatanárává, és kutatásait azzal kezdte, hogy Rutherford ott fejlesztette ki a nukleáris atom elméletét.,

1913-ban Moseley elkezdte ábrázolni a röntgensugarak kristályrácson keresztüli diffraktálásakor keletkező spektrumvonalakat. Röntgensugarait úgy hozta létre, hogy katódsugarakat (elektronokat) irányított különböző elemekből készült célpontokra, és 1914 nyarára számos fémmintát bombázott. Úgy találta, hogy az egyes elemek röntgensugaras spektrumában a legintenzívebb rövidhullámú vonal frekvenciáit egy egyszerű egyenlet segítségével össze lehet kapcsolni az elemnek a periódusos táblázatban elfoglalt helyzetével (amelyet egy egész szám képvisel, amelyet “atomi számnak” nevezett).,

a periódusos rendszerben a legtöbb elem az atomtömeg növekvő sorrendjébe került. De néhány pár elem esetében, mint például az argon és a kálium, a súlyrendet meg kellett fordítani, hogy a legmegfelelőbb csoportokban megtalálják őket. Moseley egyenlete elmagyarázta ezeket az anomáliákat, szilárd alapot adva annak a meggyőződésnek, hogy az atomszám alapvetőbb, mint az atomtömeg.

Moseley számításai hiányosságokat tártak fel az atomszámok listájában, amelyeket az elemekhez rendelt, még nem fedezték fel., (Ezek egy részét már régóta gyanították, hogy léteznek, és a legtöbbet később kémiai úton izolálták.) Eközben a periódusos rendszer nehéz végén nyilvánvalóan több elem volt, mint atomi szám – Ez a probléma Soddy már foglalkozott az izotóp fogalmával.

Moseley nem látta az áttörés teljes eredményeit – 1915-ben egy mesterlövész lőtt, miközben a királyi mérnökökkel szolgált., De nem sokkal a háború befejezése után Rutherford csapata felfedezéseket tett, amelyek feltárták Moseley atomszámainak fizikai alapjait, és mellékesen újraélesztették Prout hírnevét.

Az integrált atomszámok jobban kompatibilisek voltak Prout hipotézisével, mint a debateable atomsúlyok. De valójában mit képviseltek ezek a számok? Rutherford (és a holland fizikus, Antonius Van den Broek) azt javasolta, hogy egy elem atomszáma egyenlő legyen a magjának nettó pozitív töltésével., Ha igen, Soddy izotópjai olyan atomok voltak, amelyek magjai ugyanolyan töltéssel rendelkeztek, de különböző tömegekkel. A Francis Aston Brit kémikus által 1919-ben kifejlesztett tömegspektrográf ezt számos izotóp azonosításával, végül néhányuk fizikai elválasztásával erősítette meg.

1920-ra Rutherford arra a következtetésre jutott, hogy az összes nehezebb atommag hidrogénmagot tartalmaz. Ezt egy kísérletből következtette, amelyben az alfa-részecskék (héliummagok) nitrogénatomokra lőttek, oxigén izotóp atomjait, valamint hidrogénmagokat termeltek., Úgy tűnt, hogy a hidrogénmagokat kiütötték a nehezebb atomokból – de nyilvánvalóan más összetevők is voltak. Az atomtömegek túl nagyok voltak ahhoz, hogy a pozitív töltésükhöz szükséges hidrogén atommagok számát figyelembe lehessen venni, Rutherford pedig azt gyanította, hogy az extra tömeg semleges részecskékből származik. (Ezeket a “neutronokat” később Rutherford asszisztense, James Chadwick fedezte fel.) Az 1920-as brit Szövetség ülésén áttekintve Rutherford azt javasolta, hogy a hidrogénmagot protonnak nevezzük – olyan névnek, amelyet kifejezetten összekapcsolt Prout proto hyle-jával.,

A Prout

Rutherford hódolat Prout úgy tűnik, túl sok, mint egy hagyományos boldog befejezés, hogy igaz legyen. És valóban volt egy szerencsétlen folytatás. Kezdetben úgy tűnt, hogy a Prout támogatóit frusztráló nem integrált atomsúlyok azzal magyarázhatók, hogy a természetben sok elem létezik izotópok keverékeként. De nyilvánvalóvá vált, hogy még a tiszta izotópok sem feltétlenül rendelkeznek integrált atomtömeg-értékekkel., Ahogy Marignac kitalálta, az atom tömegének nem kell megegyeznie az alkotó részecskék tömegének összegével.

1915-ben William Harkins amerikai fizikai kémikus elmagyarázta,miért. Azzal érvelt, hogy annak érdekében, hogy a (elektromosan visszataszító) protonokat egy atommagban tartsák, tömegük egy része kötőenergiává alakul. Harkins ezt a mag “tömeghibájának” nevezte. Albert Einstein E = mc2 képletének alkalmazása a hiányzó tömegre azt jelezte, hogy nagy mennyiségű energiát kell felszabadítani a nehéz magok hasadásával vagy a fény fúziójával.,

az 1940-es években az ellenőrzött maghasadás megvalósult, pusztító eredményekkel Hirosima és Nagaszaki Japán városai számára. Nem sokkal később az asztrofizikusok, mint Fred Hoyle, megmutatták, hogy a nap és a csillagok magfúziója mennyi energiát szabadít fel, miközben a hidrogénnél nehezebb elemeket is létrehoz. Prout meggyőződése, hogy az összes elem hidrogénből készül, így igazolták, bár oly módon, hogy soha nem álmodhatott volna., A hipotézisét aláásó nem integrált atomtömeg-értékeket részben az izotópok létezésével, részben pedig valamilyen nukleáris tömeg kötő energiává történő átalakításával – a “tömeghiba” – magyarázták.

egyelőre nincs nemzetközileg elfogadott mértékegység a tömeghibák esetében. 1946-ban Enos Witmer amerikai fizikus azt javasolta, hogy a deuteron (a hidrogén nehéz izotópjának magja) kötési energiájának 1/12-re kell állítani, és ideiglenesen “prout” – nak nevezték el, de javaslata kevés támogatást nyert. Talán 2015 jó év lehet az újraélesztéshez?