Tutta la materia è fatta di un solo elemento?

Anche se i recenti risultati del Large Hadron Collider sembrano supportare il modello standard della struttura nucleare, il dibattito sulla composizione finale della materia continua. La teoria delle stringhe ha sostenitori (incluso Stephen Hawking), così come la supersimmetria. Nel frattempo, la materia oscura – sebbene considerata essenziale dagli astrofisici-rimane enigmatica e sfuggente., Tali argomenti hanno una lunga preistoria.

I primi esseri umani hanno riconosciuto che materiali diversi hanno proprietà diverse e li hanno sfruttati inventivamente, usando la selce per creare strumenti e l’ocra rossa per decorare le pareti delle caverne. Distinguere tra diverse sostanze è diventata una funzione importante del linguaggio umano – anche le lingue dei cosiddetti popoli tribali primitivi sono ricche di termini così descrittivi. Allo stesso modo, classificare le sostanze come “pulite” o “impure” costituisce una pietra angolare di molte religioni.,

Tuttavia, alcuni primi testi filosofici greci sostengono che la ricca diversità del mondo materiale deriva da modifiche di una singola sostanza elementare. Intorno al 580 a.C. Talete di Mileto propose che l’elemento fondamentale fosse l’acqua. Un po ‘ più tardi, Eraclito di Efeso affermò che era fuoco, e c’erano altri contendenti. Alla fine emerse un consenso: c’erano quattro elementi terrestri (fuoco, acqua, terra e aria) e uno in più nei cieli (etere). Con l’autorità di Aristotele dietro di esso, questa divisione di cinque volte è stata accettata per secoli., Ma la fede in un singolo elemento ultimo (una visione del mondo spesso chiamata “monismo”) non è mai del tutto scomparsa. Nel 1815 William Prout rivisitò l’idea, con conseguenze di vasta portata.

Prove contro l’ipotesi di Prout accumulate durante il xix secolo, tuttavia diversi eminenti chimici ne riconobbero la logica di fondo., Ha guadagnato nuova credibilità dai primi progressi del 20 ° secolo nella scienza nucleare, e nel 1913 Henry Moseley demolito un importante ostacolo alla sua riabilitazione utilizzando i raggi X per ordinare gli elementi per numero atomico piuttosto che di massa. Quando iniziò la prima guerra mondiale Moseley si arruolò e morì a Gallipoli nel 1915. Quest’anno, le sue scoperte vengono commemorate al Museo di Storia della Scienza dell’Università di Oxford. Tuttavia, il loro significato storico diventa più chiaro se vengono visti insieme alla proposta audace Prout fatta un secolo prima.,

Camminando per i reparti

William Prout era uno sviluppatore in ritardo. Nato in una famiglia di contadini del Gloucestershire nel 1785, ricevette un’educazione abbozzata (probabilmente interrotta da periodi di lavoro agricolo). Nel 1805, all’età di 20 anni, si unì alla scuola del reverendo Thomas Jones a Bristol, e mentre insegnava le abilità di base dei juniores ricevette il coaching nelle materie avanzate richieste per l’ammissione all’Università di Edimburgo. Lo raggiunse nel 1808, all’età relativamente matura di 23 anni.

A Edimburgo, Prout alloggiò con Alexander Adam (la cui figlia Agnes avrebbe dovuto sposare nel 1814)., Dopo essersi laureato in medicina nel 1811, trascorse il consueto periodo camminando nei reparti degli ospedali di Londra prima di qualificarsi come licenza del Royal College of Physicians nel 1812. Questa licenza gli ha permesso di stabilire una pratica a Londra, ma che non era la sua unica ambizione. Fin dai suoi giorni a Bristol era stato attivamente coinvolto con la chimica, e dal 1814 era abbastanza sicuro di offrire alcune lezioni private di chimica. Lo aiutarono a ottenere l’ammissione alla comunità scientifica di Londra, e divenne membro della Royal Society nel 1819.,

Nel corso della sua carriera medica, Prout ha studiato fenomeni chimici con significato biologico. Ha dimostrato che i succhi gastrici contengono acido cloridrico e la sua divisione tripartita di nutrienti in “saccarinous” (carboidrati), “oleaginoso” (grassi) e “albuminous” (proteine) è stata ampiamente accettata. Le analisi chimiche sono state fondamentali per il suo studio delle condizioni che interessano il sistema urinario, come il diabete e calcoli renali, e il suo 1821 trattato su di loro ha avuto cinque edizioni in inglese ed è stato tradotto in francese e tedesco., Tuttavia, sono state le sue speculazioni sull’unità della materia ad avere il maggiore impatto.

Bold speculations

La prima pubblicazione di Prout su questo argomento apparve (in forma anonima) nel 1815. E ‘iniziato’ L’autore del seguente saggio lo sottopone al pubblico con la massima diffidenza. Egli confida, tuttavia, che la sua importanza si vedrà’. Il suo titolo Sulla relazione tra le gravità specifiche dei corpi nei loro stati gassosi e i pesi dei loro atomi potrebbe sembrare incontrovertibile, ma all’epoca questo era un argomento caldo.,

La teoria chimica atomica, che John Dalton di Manchester ha basato sulla combinazione di pesi di elementi, aveva appena un decennio. Gli esperimenti di Joseph Gay-Lussac a Parigi sulla combinazione di volumi di elementi gassosi sono stati ancora più recenti. Apparenti discrepanze tra i calcoli gravimetrici e volumetrici hanno perplesso molti chimici. (Questa confusione continuò per decenni, finché non fu compreso il significato della legge di Avogadro., Prout tentò di chiarire le cose raccogliendo informazioni sui pesi e sui volumi relativi in cui gli elementi si combinavano, ma il suo articolo aveva un pungiglione nella sua coda.

La maggior parte dei dati numerici di Prout provenivano da pubblicazioni di eminenti chimici, anche se egli stesso aveva ripetuto molte misurazioni. Vedono med per dimostrare che i pesi atomici (relativi all’idrogeno) avevano valori integrali, e ha ricordato: “Avevo spesso osservato l’approccio vicino ai numeri rotondi prima di essere portato a indagare sul soggetto”., Egli ha anche osservato che molti pesi atomici erano divisibili per quattro (e alcuni per otto), e si chiedeva se tutte le sostanze potrebbero essere costituiti (‘composto’) di idrogeno e ossigeno.

Questa query radicale era assente dal successivo documento di Prout, pubblicato nel 1816, che era principalmente dedicato alla correzione di errori minori nel suo predecessore. Tuttavia, ha concluso con un’altra speculazione audace., Dopo aver ribadito che tutti i pesi atomici (relativi all’idrogeno) sembravano essere numeri interi, Prout suggerì che l’idrogeno era la materia primaria fondamentale da cui tutte le sostanze erano composte – il proto hyle proposto dagli antichi filosofi greci come Thales.

Questo pensiero era, ha riconosciuto Prout, “non del tutto nuovo”. Molti dei suoi contemporanei sospettavano che molti cosiddetti elementi non fossero sostanze semplici. (Humphry Davy – che ne aveva scoperti diversi-preferiva il termine “corpi non composti”.,) Tuttavia, l’idea che tutti i presunti elementi fossero costituiti da atomi di idrogeno divenne nota tra i chimici come ipotesi di Prout. Anche se spesso criticato, ha continuato a stimolare il dibattito a lungo dopo la sua morte nel 1850.

Illusion confusion

Uno dei primi sostenitori fu il chimico scozzese Thomas Thomson, le cui misurazioni del peso atomico sembravano compatibili con l’ipotesi. Tuttavia, l’eminente chimico svedese Jöns Berzelius non era d’accordo, criticando la tecnica sperimentale di Thomson in un linguaggio intemperante. Nonostante l’opposizione di Berzelius, l’interesse per l’idea di Prout persisteva., Durante il 1840 e il 1850 Jean-Baptiste Dumas-il principale chimico francese dell’epoca – ha dato seria considerazione. Ma il belga Jean Stas, anche se inizialmente simpatico, concluse nel 1860 che l’ipotesi era “pura illusione”. Dopo aver misurato con precisione molti pesi atomici, ha scoperto che si discostavano significativamente dai numeri interi.

Sebbene i risultati di Stas fossero impressionanti, lo svizzero Jean Marignac sosteneva che la vicinanza di così tanti pesi atomici ai valori integrali era statisticamente improbabile che fosse sorta per caso., Ha anche proposto (come Dumas aveva fatto) che i pesi atomici non integrali potrebbero essere spiegati se le particelle elementari ultime avessero una massa esattamente la metà, o un quarto, di un atomo di idrogeno. Infine, Marignac ha suggerito che la massa di un atomo composito potrebbe essere inferiore alle masse combinate dei suoi componenti – una speculazione selvaggia che alla fine si è rivelata corretta.

Nel frattempo, le scoperte in fisica hanno generato nuovi argomenti per la divisibilità degli atomi., Gli spettroscopisti inglesi Norman Lockyer e William Crookes hanno affermato che gli spettri di emissione anomala hanno rivelato la rottura di elementi in condizioni estreme-all’interno del sole e delle stelle, o in scariche elettriche ad alta tensione. Nel 1886 Crookes suggerì che la componente fondamentale della materia era qualcosa come il proto hyle di Prout (noto anche come protyle) che generava gli elementi più pesanti da un processo evolutivo mentre si raffreddava dalle temperature stellari a quelle terrestri.,

L’idea dell’evoluzione atomica prese slancio nel 1902 quando il fisico neozelandese Ernest Rutherford e il chimico inglese Frederick Soddy, lavorando alla McGill University canadese, annunciarono che il decadimento radioattivo implicava la trasmutazione di un elemento in un altro. Soddy in seguito ha deciso che lo stato di diverse sostanze radioattive precedentemente pensato per essere elementi era problematico. Nel 1913 era stanco di scrivere ‘elementi chimicamente identici e non separabili con metodi chimici‘, e cominciò a chiamarli’ isotopi’ – un nome suggerito dal medico scozzese Margaret Todd., Nello stesso anno, il lavoro di Henry Moseley sugli spettri a raggi X iniziò a portare ordine in questa serie confusa di entità.

I numeri atomici scoperti

A differenza di Prout, Moseley crebbe nel mondo accademico., Suo padre e suo nonno paterno erano professori di scienze (il primo all’Università di Oxford, il secondo al King’s College di Londra), mentre suo nonno materno era un esperto di molluschi e un membro della Royal Society. A Oxford, Moseley brillava in matematica e scienze (e remava per il suo college). Sulla laurea nel 1910 è stato nominato docente di fisica presso l’Università di Manchester, e ha iniziato la sua ricerca come Rutherford è stato lo sviluppo della teoria dell’atomo nucleare lì.,

Nel 1913 Moseley iniziò a tracciare le linee dello spettro prodotte quando i raggi X sono diffratti attraverso un reticolo cristallino. I suoi raggi X erano generati dirigendo raggi catodici (elettroni) su bersagli fatti da vari elementi, e nell’estate del 1914 aveva bombardato campioni di molti metalli. Ha scoperto che le frequenze della più intensa linea a onde corte nello spettro dei raggi X di ogni elemento potrebbero essere collegate, da una semplice equazione, alla posizione di quell’elemento nella tavola periodica (rappresentata da un numero intero che ha chiamato il suo ‘numero atomico’).,

Nella tavola periodica, la maggior parte degli elementi sono stati collocati in ordine crescente di peso atomico. Ma per alcune coppie di elementi, come l’argon e il potassio, l’ordine del peso doveva essere invertito per localizzarli nei gruppi più appropriati. L’equazione di Moseley spiegava queste anomalie, fornendo solide basi per la convinzione che il numero atomico fosse più fondamentale del peso atomico.

I calcoli di Moseley rivelarono lacune nella lista dei numeri atomici, che assegnò a elementi ancora sconosciuti., (Alcuni di questi erano stati a lungo sospettati di esistere, e la maggior parte sono stati successivamente isolati con mezzi chimici. Nel frattempo, alla fine pesante della tavola periodica, c’erano apparentemente più elementi che numeri atomici – un problema Soddy stava già affrontando con il suo concetto di isotopo.

Moseley non vide i risultati completi della sua svolta: fu colpito da un cecchino nel 1915 mentre prestava servizio con i Royal Engineers., Ma subito dopo la fine della guerra, la squadra di Rutherford fece delle scoperte che rivelarono le basi fisiche dei numeri atomici di Moseley, e tra l’altro resuscitò la reputazione di Prout.

I numeri atomici integrali apparivano più compatibili con l’ipotesi di Prout che con i pesi atomici discutibili. Ma cosa rappresentavano effettivamente quei numeri? Rutherford (e indipendentemente, il fisico olandese Antonius Van den Broek), suggerì che il numero atomico di un elemento fosse uguale alla carica positiva netta sul suo nucleo., Se è così, gli isotopi di Soddy erano atomi i cui nuclei avevano la stessa carica ma masse diverse. Lo spettrografo di massa, sviluppato dal chimico britannico Francis Aston nel 1919, lo confermò identificando molti isotopi e, infine, separandone fisicamente alcuni.

Nel 1920 Rutherford aveva concluso che tutti i nuclei atomici più pesanti contenevano nuclei di idrogeno. Ha dedotto questo da un esperimento in cui le particelle alfa (nuclei di elio) sparato a atomi di azoto prodotte atomi di un isotopo di ossigeno, più nuclei di idrogeno., Sembrava che i nuclei di idrogeno fossero eliminati dagli atomi più pesanti, ma a quanto pare c’erano anche altri componenti. Le masse nucleari erano troppo grandi per essere contabilizzate dal numero di nuclei di idrogeno necessari per fornire le loro cariche positive, e Rutherford sospettava che la massa extra provenisse da particelle neutre. (Questi “neutroni” furono successivamente rilevati dall’assistente di Rutherford James Chadwick.) Rivedendo questi problemi alla riunione dell’Associazione britannica del 1920, Rutherford suggerì di chiamare il nucleo di idrogeno un protone-un nome che collegava esplicitamente al proto hyle di Prout.,

Il Prout

L’omaggio di Rutherford a Prout sembra troppo simile a un lieto fine convenzionale per essere vero. E in effetti, c’è stato uno sfortunato sequel. Inizialmente, sembrava che i pesi atomici non integrali che avevano frustrato i sostenitori di Prout potessero essere spiegati dal fatto che in natura esistono molti elementi come miscele di isotopi. Ma è diventato evidente che anche gli isotopi puri non hanno necessariamente valori di massa atomica integrale., Come Marignac aveva intuito, la massa di un atomo non deve essere uguale alla somma delle masse delle sue particelle componenti.

Nel 1915 il chimico fisico americano William Harkins spiegò perché. Sosteneva che per tenere insieme i protoni (elettricamente repulsivi) in un nucleo atomico, parte della loro massa viene trasformata in energia di legame. Harkins ha chiamato questo il ‘difetto di massa’ del nucleo. L’applicazione della formula E=mc2 di Albert Einstein alla massa mancante indicava che grandi quantità di energia dovrebbero essere liberate dalla fissione di nuclei pesanti o dalla fusione di quelli leggeri.,

Nel 1940 la fissione nucleare controllata fu compiuta, con risultati devastanti per le città giapponesi di Hiroshima e Nagasaki. Poco dopo, astrofisici come Fred Hoyle hanno mostrato come la fusione nucleare all’interno del sole e delle stelle rilascia quantità di energia notevolmente maggiori, creando anche elementi più pesanti dell’idrogeno. La convinzione di Prout che tutti gli elementi siano fatti di idrogeno è stata quindi rivendicata, anche se in un modo che non avrebbe mai potuto sognare., I valori di peso atomico non integrali che minavano la sua ipotesi sono stati anche spiegati, in parte dall’esistenza di isotopi, e in parte dalla conversione di una certa massa nucleare in energia di legame – il ‘difetto di massa’.

Non esiste ancora un’unità di misura concordata a livello internazionale per i difetti di massa. Nel 1946 il fisico americano Enos Witmer propose che fosse fissato a 1/12 dell’energia di legame del deuterone (il nucleo dell’isotopo pesante dell’idrogeno), e lo chiamò provvisoriamente “the prout”, ma il suo suggerimento ottenne poco sostegno. Forse il 2015 potrebbe essere un buon anno per rianimarlo?