Er all materie består av bare ett element?

Selv om de siste resultatene fra Large Hadron Collider synes å støtte standard modell av kjernefysiske struktur, debatt om den endelige sammensetning av saken fortsetter. Strengteori har tilhengere (herunder Stephen Hawking), som gjør supersymmetry. I mellomtiden, mørk materie – selv om det anses som nødvendig av astrophysicists – fortsatt er gåtefulle og unnvikende., Slike argumenter har en lang pre-historie.

De tidligste mennesker anerkjent at forskjellige materialer har ulike egenskaper, og utnyttet dem oppfinnsomt, ved hjelp av flint til å lage verktøy og rød oker til å dekorere huleveggen. Å skille mellom ulike stoffer ble en viktig funksjon av menneskelig tale – selv språk i den såkalte primitive stammefolk er rik på slike beskrivende ord. På samme måte, kategorisering av stoffer som ‘ren’ eller ‘urene’ utgjør en hjørnestein i mange religioner.,

Imidlertid, noen tidlige greske filosofiske tekster argumentere for at de rike mangfold av den materielle verden som alle stammer fra endringer i en enkelt elementære stoff. Rundt 580 F.KR Thales fra Milet foreslått at den grunnleggende element var vann. Noe senere, Heraclitus i Efesus hevdet at det var brann, og det var andre utfordrere. Etter hvert utviklet det seg konsensus – det var fire terrestriske elementene (ild, vann, jord og luft) og ett i himmelen (aether). Med Aristoteles ‘ autoritet bak det, er dette fem-brett divisjon ble akseptert i århundrer., Men troen på en enkelt ultimate element (et syn på verden som ofte kalles ‘monism’) aldri helt forsvunnet. I 1815 William Prout revisited ideen, med vidtrekkende konsekvenser.

Bevis mot Prout er hypotesen akkumulert gjennom hele det 19. århundre, og ennå flere dyktige kjemikere erkjent dens underliggende logikk., Det fikk frisk troverdighet fra tidlig i det 20. århundre fremskritt i kjernefysiske vitenskap, og i 1913 Henry Moseley revet en stor hindring for sin rehabilitering ved hjelp av x-stråler for å bestille elementer av atomnummer snarere enn masse. Da første verdenskrig begynte Moseley vervet, og han døde i Gallipoli, i 1915. Dette året, hans funn blir markert ved Universitetet i Oxford ‘ s Museum of the History of Science. Men, deres historiske betydning blir tydeligere hvis de vises sammen med den dristige forslag Prout laget et århundre tidligere.,

Gå menighetene

William Prout var en sen utvikler. Født inn i en Gloucestershire farmer ‘ s familie i 1785, fikk han en sketchy utdanning (sannsynligvis avbrutt av staver av landbruks-arbeid). I 1805, i alderen 20, sluttet han seg til Pastor Thomas Jones’ skole i Bristol, og mens undervisning junior, grunnleggende ferdigheter han fått coaching i avanserte emner som kreves for opptak til Universitetet i Edinburgh. Han har oppnådd dette i 1808, på relativt moden alder av 23.

I Edinburgh, Prout fast med Alexander Adam (hvis datter Agnes han var å gifte seg i 1814)., Etter å ha utdannet lege i 1811, han brukte vanlig perioden går menigheter i London sykehus før du kvalifisert som en lisensiatgrad i Royal College of Physicians i 1812. Denne lisensen tillot ham å etablere en praksis i London, men det var ikke hans eneste mål. Siden hans dager i Bristol han hadde vært aktivt involvert med kjemi, og etter 1814 var han trygg nok til å tilby noen private kjemiske forelesninger. De hjalp ham å få opptak til London ‘ s vitenskapelige samfunnet, og han ble medlem av Royal Society i 1819.,

gjennom Hele sin medisinske karriere, Prout undersøkte kjemiske fenomener med biologisk betydning. Han beviste at gastric juice inneholder saltsyre, og hans tredelt inndeling av næringsstoffer i ‘saccharinous’ (karbohydrater), ‘oljeholdige’ (fett) og ‘albuminous’ (protein) ble allment akseptert. Kjemiske analyser var sentrale i hans studie av forhold som påvirker urin system, som diabetes og nyrestein, og hans 1821 avhandling om dem hadde fem engelske utgaver, og ble oversatt til fransk og tysk., Men, det var hans spekulasjoner om enhet av materie som hadde størst betydning.

Dristige spekulasjoner

Prout den første utgivelsen på dette emnet dukket opp (anonymt) i 1815. Det begynte forfatteren av følgende essay sender det inn til det offentlige med de største diffidence. Han stoler, men at dens betydning vil bli sett’. Tittelen På forholdet mellom spesifikke på organer i deres gassform stater og vektingen av sine atomer kan virke uncontroversial, men på den tiden var dette et hett tema.,

Den kjemiske atom-teorien, som Manchester John Dalton basert på å kombinere vekter elementer, og var knapt et tiår gamle. Joseph Gay-Lussac er eksperimenter i Paris på å kombinere volumer av gassformige elementene var enda mer senere. Tilsynelatende avvik mellom gravimetrisk og volumetrisk beregninger forvirret mange kjemikere. (Denne forvirring pågått i flere tiår, til betydningen av Avogadro er loven ble forstått.,) Prout forsøkt å avklare ting ved å sortere informasjon på den relative vekter og volumer som elementer kombinert, men hans artikkel hadde en sting i halen.

de Fleste av Prout ‘ s numeriske data kom fra publikasjoner av eminente kjemikere, selv om han hadde gjentatt mange målinger seg selv. De ser med for å vise at atomic vekter (i forhold til hydrogen) hadde integrert verdier, og han sa, ‘jeg hadde ofte observert i nærheten tilnærming til runde tall før jeg ble ledet til å undersøke emnet’., Han bemerket også at mange atomic vektene var delelig med fire (og noen av åtte), og lurte på om alle stoffer kan være gjort opp (‘sammen’) til hydrogen og oksygen.

Denne radikale spørringen var fraværende fra Prout neste papir, publisert i 1816, som var hovedsakelig viet til å rette opp mindre feil i forgjengeren. Men han er inngått med en annen dristige spekulasjoner., Etter gjentok at alle atomic vekter (i forhold til hydrogen) viste seg å være hele tall, Prout foreslått at hydrogen var den grunnleggende primære rolle som alle stoffene var sammensatt – den proto hyle foreslått av gamle greske filosofer som Thales.

Denne tanken var, Prout anerkjent, ‘ikke er helt nytt’. Flere av hans samtidige hadde en mistanke om at mange såkalte elementene var ikke enkle stoffer. (Humphry Davy – som hadde oppdaget flere av dem – foretrukket begrepet «undecompounded organer’.,) Uansett, ideen om at alle skal elementer ble gjort opp av hydrogen atomer ble kjent blant kjemikere som Prout ‘ s hypotese. Men ofte kritisert, det fortsatte å stimulere til debatt lenge etter hans død i 1850.

Illusjon forvirring

En tidlig tilhenger var den Skotske kjemikeren Thomas Thomson, som atomvekt målinger syntes kompatibel med hypotesen. Imidlertid, den eminente svenske kjemikeren Jöns Berzelius uenige, kritiserer Thomson er eksperimentell teknikk i hemningsløse språk. Til tross for Berzelius’ motstand, interesse i Prout idé vedvarte., I løpet av 1840-og 1850-årene Jean-Baptiste Dumas – den ledende franske kjemiker på den tiden – ga det seriøs vurdering. Men det Belgiske Jean Stas, selv om utgangspunktet sympatisk, inngått i 1860 at hypotesen var «ren illusjon’. Etter å ha målt mange atomic vekter nøyaktig, fant han at de avvek betydelig fra hele tall.

Selv om Stas’ resultatene var imponerende, den Sveitsiske Jean Marignac hevdet at nærhet av så mange atomic vekter til integrert verdier var statistisk usannsynlig å ha oppstått ved en tilfeldighet., Han har også foreslått (som Dumas hadde gjort) at ikke-integrert atomic vekter kan forklares hvis den ultimate elementærpartikler hadde en masse nøyaktig halvparten eller en fjerdedel, av et hydrogenatom. Til slutt, Marignac foreslått at en kompositt atom massen kan være mindre enn den kombinerte masser av dets komponenter – en vill spekulasjon som til slutt viste seg riktig.

i Mellomtiden funn i fysikk generert frisk argumenter for divisibility av atomer., Den engelske spectroscopists Norman Lockyer og William Crookes hevdet at avvikende utslipp spektra avslørt fordelingen av elementene under ekstreme forhold – inne i solen og stjernene, eller i høy-spenning elektriske utladninger. I 1886 Crookes foreslått at de grunnleggende del av saken var noe som Prout er proto hyle (også kjent som protyle) som genereres av tyngre elementer av en evolusjonær prosess, mens kjøling fra stellar til terrestriske temperaturer.,

ideen av atomic utviklingen skyter fart i 1902 når den newzealandske fysikeren Ernest Rutherford og den engelske kjemiker Frederick Soddy, som arbeider ved Canadas McGill University, kunngjorde at radioaktiv nedbrytning involvert transmutation av ett element til et annet. Soddy senere besluttet at status for flere radioaktive stoffer som tidligere antatt å være elementer var problematisk. Av 1913 ble han lei av å skrive ‘elementer kjemisk identiske og ikke-separable ved kjemiske metoder, og begynte å kalle dem ‘isotoper’ – et navn som ble foreslått av den Skotske legen Margaret Todd., I det samme året, Henry Moseley arbeid på x-ray spektra startet å bringe orden i dette forvirrende utvalg av enheter.

Atomic tall oppdaget

i Motsetning til Prout, Moseley vokste opp i akademia., Hans far og farfar var science professorer (tidligere ved Universitetet i Oxford, den siste i King ‘ s College London), mens hans morfar var en ekspert på bløtdyr og medlem av Royal Society. I Oxford, Moseley skinte i matematikk og naturfag (og rodde for hans college). På eksamen i 1910 ble han utnevnt til dosent i fysikk ved University of Manchester, og begynte sin forskning som Rutherford var å utvikle teorien om den kjernefysiske atom er det.,

I 1913 Moseley begynte å kartlegge spekteret linjer som produseres når x-stråler er diffracted gjennom en krystall gitter. Hans x-stråler ble generert ved å dirigere katode-stråler (elektroner) på mål laget av ulike elementer, og innen sommeren 1914 hadde han bombardert prøver av mange metaller. Han fant at frekvensene av de mest intense kortbølget linje i x-ray spekter av hvert element kan være knyttet sammen, ved en enkel ligning, slik at elementets posisjon i den periodiske tabellen (representert ved et heltall som han kalte sin «atomnummer’).,

I den periodiske tabell, de fleste elementene var plassert i stigende rekkefølge av atomic vekt. Men for noen par av elementer, som argon og kalium, vekten ordre måtte snus for å finne dem i de aktuelle grupper. Moseley likning forklart disse avvikene, og gir solid grunnlag for å tro at atomnummer var mer grunnleggende enn atomvekt.

Moseley beregninger åpenbart hull i listen av atom-tall, som han tildelt elementer som ennå uoppdaget., (Noen av disse hadde lenge vært mistenkt for å eksistere, og de fleste senere ble isolert ved hjelp av kjemiske prosesser.) I mellomtiden, på den tunge enden av den periodiske tabellen, var det tydeligvis flere elementer enn atom-tall – et problem Soddy var allerede adressering med hans konsept for trauma.

Moseley ikke se de fullstendige resultatene av sitt gjennombrudd – han ble skutt av en snikskytter i 1915, mens han med Royal Engineers., Men snart etter at krigen sluttet, Rutherford team gjort funn som viste det fysiske grunnlaget for Moseley s atomic tall, og for øvrig resuscitated Prout ‘ s omdømme.

Integrert atomic tall dukket opp mer kompatibel med Prout ‘ s hypotese enn diskutabelt atomic vekter. Men hva gjorde disse tallene egentlig representerer? Rutherford (og uavhengig av hverandre, den nederlandske fysikeren Antonius Van den Broek), foreslo at et element er atomnummer var lik netto positiv ladning på sin kjerne., Hvis så, Soddy er isotoper ble atomer som kjerner hadde samme kostnad, men med ulike masser. Massen spektrograf, utviklet av Britiske kjemikeren Francis Aston i 1919, bekreftet dette ved å identifisere mange isotoper, og til slutt ved fysisk skille noen av dem.

Etter 1920 Rutherford hadde konkludert med at alle tyngre atomic kjerner inneholdt hydrogen kjerner. Han konkluderte med dette fra et eksperiment der alfa-partikler (heliumkjerner) skjøt på nitrogen atomer produsert atomer av oksygen isotop, pluss hydrogen kjerner., Det virket som hydrogen kjerner ble slått ut av tyngre atomer – men tydeligvis var det andre komponenter også. Kjernefysiske massene var for store til å kunne forklares med antall hydrogen-kjerner som trengs for å gi sine positive avgifter, og Rutherford mistenkt ekstra masse kom fra nøytrale partikler. (Disse «nøytroner’ senere ble oppdaget av Rutherford assistent James Chadwick.) Gjennomgang av disse spørsmålene i 1920-British Association møte, Rutherford foreslått å kalle hydrogen i kjernen en proton – et navn som han knyttet eksplisitt med Prout er proto hyle.,

De Prout

Rutherford ‘ s hyllest til Prout ser for mye ut som en vanlig lykkelig slutt til å være sant. Og ja, det var en uheldig oppfølgeren. Utgangspunktet, det virket som den ikke-integrert atomic vekter som hadde frustrert Prout er tilhengere kan forklares ved det faktum at i naturen mange elementer som finnes blandinger av isotoper. Men det ble klart at selv rene isotoper ikke nødvendigvis har integrert atommasse verdier., Som Marignac hadde gjettet, en atom-massen må ikke være lik summen av massene til sine enkelte bestanddeler.

I 1915 American fysiske kjemiker William Harkins forklart hvorfor. Han hevdet at for å holde de (elektrisk frastøtende) protoner sammen i en atomkjerne, som er en del av deres masse er forvandlet til bindende energi. Harkins kalles dette ‘masse feil’ av kjernen. Søker Albert Einsteins E=mc2 formelen til den manglende massen indikert at store mengder energi bør være frigjort ved fisjon av tunge atomkjerner, eller ved fusjon av lys seg.,

I 1940-årene kontrollert kjernefysisk fisjon ble oppnådd, med ødeleggende resultater for de Japanske byene Hiroshima og Nagasaki. Snart etterpå, astrophysicists som Fred Hoyle viste hvordan kjernefysisk fusjon inne i solen og stjernene utgivelser vesentlig større mengder energi, og samtidig skaper elementer tyngre enn hydrogen. Prout er troen på at alle elementene er laget av hydrogen ble dermed rettferdiggjort, men på en måte han aldri kunne ha drømt om., Den ikke-integrert atomvekt verdier som undergravde hans hypotese var også forklart, delvis på grunn av eksistensen av isotoper, og dels ved konvertering av noen kjernefysiske masse å bindende energi – ‘masse feil’.

det er ennå ikke noen internasjonalt avtalte måleenhet for masse feil. I 1946 Amerikansk fysiker Enos Witmer foreslått at det skulle settes til 1/12 av bindende energi deuteron (kjernen av hydrogen er tunge isotopen), og midlertidig heter den ‘prout’, men hans forslag fikk liten støtte. Kanskje 2015 kan bli et godt år for å gjenopplive det?