bestaat alle materie uit slechts één element?

hoewel recente resultaten van de Large Hadron Collider het standaardmodel van nucleaire structuur lijken te ondersteunen, blijft de discussie over de uiteindelijke samenstelling van materie doorgaan. Snaartheorie heeft aanhangers (waaronder Stephen Hawking), net als supersymmetrie. Ondertussen blijft donkere materie – hoewel door astrofysici als essentieel beschouwd – raadselachtig en ongrijpbaar., Dergelijke argumenten hebben een lange voorgeschiedenis.

De vroegste mensen erkenden dat verschillende materialen verschillende eigenschappen hebben en exploiteerden ze inventief, met vuursteen om gereedschappen te maken en rode oker om grotwanden te versieren. Het onderscheid tussen verschillende stoffen werd een belangrijke functie van de menselijke spraak – zelfs de talen van de zogenaamde primitieve stamvolken zijn rijk in dergelijke beschrijvende termen. Evenzo is het categoriseren van stoffen als ‘schoon’ of ‘onrein’ een hoeksteen van vele religies.,echter, sommige vroege Griekse filosofische teksten beweren dat de rijke diversiteit van de materiële wereld allemaal voortvloeit uit wijzigingen van een enkele elementaire substantie. Rond 580 v.Chr. stelde Thales van Milete voor dat het fundamentele element water was. Iets later beweerde Heraclitus van Efeze dat het vuur was, en er waren andere kanshebbers. Uiteindelijk kwam er een consensus-er waren vier aardse elementen (vuur, water, aarde en lucht) en een meer in de hemel (aether). Met het gezag van Aristoteles erachter werd deze vijfvoudige verdeling eeuwenlang geaccepteerd., Maar het geloof in één ultiem element (een wereldbeeld dat vaak ‘monisme’ wordt genoemd) is nooit helemaal verdwenen. In 1815 herzag William Prout het idee, met verstrekkende gevolgen.

bewijs tegen Prout ‘ s hypothese verzameld gedurende de 19e eeuw, maar verschillende vooraanstaande chemici erkenden de onderliggende logica., In 1913 vernietigde Henry Moseley een groot obstakel voor de rehabilitatie door röntgenstralen te gebruiken om de elementen te rangschikken op atoomnummer in plaats van op massa. Toen de Eerste Wereldoorlog begon, ging Moseley in dienst en stierf in Gallipoli in 1915. Dit jaar worden zijn ontdekkingen herdacht in het Museum of the History of Science van de Universiteit van Oxford. Hun historische betekenis wordt echter duidelijker als ze worden gezien naast het gedurfde voorstel dat Prout een eeuw eerder heeft gedaan.,

Walking the wards

William Prout was een late Ontwikkelaar. Geboren in een Gloucestershire farmer ‘ s familie in 1785, kreeg hij een schetsmatige opleiding (waarschijnlijk onderbroken door perioden van landbouwwerk). In 1805, Leeftijd 20, Hij sloot zich aan bij de Reverend Thomas Jones’ school in Bristol, en terwijl het onderwijzen van de junioren basisvaardigheden ontving hij coaching in geavanceerde onderwerpen die nodig zijn voor toelating tot de Universiteit van Edinburgh. Hij bereikte dit in 1808, op de relatief volwassen leeftijd van 23.in Edinburgh verbleef Prout bij Alexander Adam (met wiens dochter Agnes hij in 1814 zou trouwen)., Nadat hij in 1811 was afgestudeerd als doctor in de geneeskunde, bracht hij de gebruikelijke periode door op de afdelingen in Londense ziekenhuizen voordat hij zich kwalificeerde als licentiaat aan het Royal College Of Physicians in 1812. Met deze vergunning kon hij een praktijk in Londen vestigen, maar dat was niet zijn enige ambitie. Sinds zijn dagen in Bristol was hij actief betrokken geweest bij scheikunde, en in 1814 was hij zelfverzekerd genoeg om enkele privé chemische lezingen te geven. Ze hielpen hem toegang te krijgen tot de wetenschappelijke gemeenschap van Londen, en hij werd een fellow van de Royal Society in 1819.,gedurende zijn medische carrière onderzocht Prout chemische fenomenen met biologische betekenis. Hij bewees dat maagsappen zoutzuur bevatten, en zijn tripartiete verdeling van voedingsstoffen in ‘saccharineus’ (koolhydraten), ‘oleagineus’ (vet) en ‘eiwithoudend’ (eiwit) werd algemeen aanvaard. Chemische analyses stonden centraal in zijn studie van aandoeningen die het urinestelsel beïnvloeden, zoals diabetes en nierstenen, en zijn verhandeling over deze aandoeningen uit 1821 had vijf Engelse edities en werd vertaald in het Frans en Duits., Het waren echter zijn speculaties over de eenheid van de materie die de grootste impact hadden.

vetgedrukte speculaties

Prout ‘ s eerste publicatie over dit onderwerp verscheen (anoniem) in 1815. Het begon ‘ de auteur van het volgende essay legt het aan het publiek met de grootste schroom. Hij vertrouwt er echter op dat het belang ervan zal worden gezien”. De titel over de relatie tussen de specifieke zwaartekracht van lichamen in hun gasvormige toestand en het gewicht van hun atomen lijkt misschien onomstreden, maar in die tijd was dit een hot topic.,

de chemische atoomtheorie, die Manchester ‘ s John Dalton baseerde op het combineren van gewichten van elementen, was nauwelijks tien jaar oud. Joseph Gay-Lussac ‘ s experimenten in Parijs op het combineren van volumes gasvormige elementen waren nog recenter. Schijnbare discrepanties tussen de gravimetrische en volumetrische berekeningen verbaasden veel chemici. (Deze verwarring duurde tientallen jaren, totdat de Betekenis van de wet van Avogadro werd begrepen., Prout probeerde dingen te verduidelijken door informatie te verzamelen over de relatieve gewichten en volumes waarin de elementen samenkwamen, maar zijn artikel had een steek in zijn staart.de meeste numerieke gegevens van Prout kwamen van publicaties van vooraanstaande chemici, hoewel hij zelf vele metingen had herhaald. Ze zien med om aan te tonen dat atomaire gewichten (ten opzichte van waterstof) integrale waarden hadden, en hij herinnerde zich, ‘Ik had vaak de bijna benadering van ronde getallen waargenomen voordat ik werd geleid om het onderwerp te onderzoeken’., Hij merkte ook op dat veel atoomgewichten deelbaar zijn door vier (en sommige door acht), en vroeg zich af of alle stoffen kunnen bestaan uit waterstof en zuurstof.

deze radicale query was afwezig in Prout ‘ s volgende paper, gepubliceerd in 1816, dat voornamelijk was gewijd aan het corrigeren van kleine fouten in zijn voorganger. Hij sloot echter af met een andere gewaagde speculatie., Na te herhalen dat alle atoomgewichten (ten opzichte van waterstof) hele getallen leken te zijn, suggereerde Prout dat waterstof de fundamentele primaire materie was waaruit alle stoffen waren samengesteld – de proto hyle die werd voorgesteld door oude Griekse filosofen zoals Thales.

deze gedachte was, Prout erkende, ‘niet helemaal nieuw’. Verschillende van zijn tijdgenoten vermoedden dat veel zogenaamde elementen geen eenvoudige substanties waren. (Humphry Davy – die verschillende van hen had ontdekt-gaf de voorkeur aan de term ‘niet-samengestelde lichamen’., Niettemin werd het idee dat alle veronderstelde elementen uit waterstofatomen waren samengesteld onder chemici bekend als Prout ‘ s hypothese. Hoewel het vaak bekritiseerd werd, bleef het debat nog lang na zijn dood in 1850 aanwakkeren.een vroege aanhanger was de Schotse chemicus Thomas Thomson, wiens atoomgewichtmetingen compatibel leken met de hypothese. De eminente Zweedse scheikundige Jöns Berzelius was het daar echter niet mee eens en bekritiseerde Thomson ‘ s experimentele techniek in onstuimige taal. Ondanks de oppositie van Berzelius bleef de interesse in Prout’ s idee bestaan., Tijdens de jaren 1840 en 1850 Jean-Baptiste Dumas – de toonaangevende Franse chemicus van het tijdperk-gaf het serieus aandacht. Maar de Belg Jean Stas, hoewel aanvankelijk sympathiek, concludeerde in 1860 dat de hypothese ‘pure illusie’was. Nadat hij veel atoomgewichten nauwkeurig had gemeten, vond hij dat ze aanzienlijk van hele getallen afweek.hoewel de resultaten van Stas indrukwekkend waren, voerde de Zwitser Jean Marignac aan dat de nabijheid van zoveel atoomgewichten tot integrale waarden statistisch gezien niet bij toeval was ontstaan., Hij stelde ook voor (zoals Dumas had gedaan) dat niet-integrale atoomgewichten zouden kunnen worden verklaard als de uiteindelijke elementaire deeltjes een massa hadden van precies de helft, of een kwart, van een waterstofatoom. Ten slotte suggereerde Marignac dat de massa van een samengesteld atoom kleiner kon zijn dan de gecombineerde massa van zijn componenten – een wilde speculatie die uiteindelijk juist bleek te zijn.

ondertussen genereerden ontdekkingen in de fysica nieuwe argumenten voor de deelbaarheid van atomen., De Engelse spectroscopisten Norman Lockyer en William Crookes beweerden dat abnormale emissiespectra de afbraak van elementen onder extreme omstandigheden onthulden – in de zon en sterren, of in hoogspannings elektrische ontladingen. In 1886 suggereerde Crookes dat de fundamentele component van de materie zoiets was als Prout ‘ s proto hyle (ook bekend als protyle) die de zwaardere elementen genereerde door een evolutionair proces terwijl het afkoelde van Stellaire naar aardse temperaturen.,het idee van atoomevolutie kreeg een impuls in 1902 toen de Nieuw-Zeelandse natuurkundige Ernest Rutherford en de Engelse scheikundige Frederick Soddy, werkzaam aan de Canadese McGill University, aankondigden dat radioactief verval transmutatie van het ene element in het andere inhield. Soddy besloot later dat de status van verschillende radioactieve stoffen die eerder als elementen werden beschouwd problematisch was. In 1913 was hij moe van het schrijven van ‘elementen chemisch identiek en niet-scheidbaar door chemische methoden’, en begon ze ‘isotopen’ te noemen – een naam die werd voorgesteld door de Schotse dokter Margaret Todd., In hetzelfde jaar begon Henry Moseley ‘ s werk aan röntgenspectra orde te brengen in deze verwarrende reeks entiteiten.

ontdekte atoomnummers

In tegenstelling tot Prout groeide Moseley op in de academische wereld., Zijn vader en grootvader van vaderskant waren wetenschappelijk professoren (de eerste aan de Universiteit van Oxford, de laatste aan King ‘ s College London), terwijl zijn grootvader van moederskant een expert was op het gebied van weekdieren en een fellow van de Royal Society. In Oxford schitterde Moseley in wiskunde en wetenschap (en roeide voor zijn college). Na zijn afstuderen in 1910 werd hij benoemd tot docent natuurkunde aan de Universiteit van Manchester, en begon zijn onderzoek als Rutherford was de ontwikkeling van de theorie van het nucleaire atoom daar.,

in 1913 begon Moseley met het in kaart brengen van de spectrumlijnen die ontstaan wanneer röntgenstralen door een kristalrooster worden verspreid. Zijn röntgenstralen werden gegenereerd door kathodestralen (elektronen) te richten op objecten gemaakt van verschillende elementen, en in de zomer van 1914 had hij monsters van vele metalen gebombardeerd. Hij ontdekte dat de frequenties van de meest intense kortegolflijn in het röntgenspectrum van elk element, door een eenvoudige vergelijking, konden worden gekoppeld aan de positie van dat element in het periodiek systeem (vertegenwoordigd door een geheel getal dat hij het ‘atoomnummer’noemde).,

in het periodiek systeem werden de meeste elementen in oplopende volgorde van atoomgewicht geplaatst. Maar voor een paar paar elementen, zoals argon en kalium, moest de gewichtsvolgorde worden omgekeerd om ze in de meest geschikte groepen te vinden. Moseley ‘ s vergelijking verklaarde deze anomalieën, het verstrekken van solide gronden voor het geloof dat atoomnummer fundamenteler was dan atoomgewicht.

Moseley ‘ s berekeningen onthulden hiaten in de lijst van atoomnummers, die hij aan nog onontdekte elementen gaf., (Sommige van deze waren al lang vermoed dat ze bestonden, en de meeste werden vervolgens geïsoleerd door chemische middelen. Ondertussen, aan het zware einde van het periodiek systeem, waren er blijkbaar meer elementen dan atoomgetallen – een probleem dat Soddy al had aangepakt met zijn concept van de isotoop.Moseley zag niet de volledige resultaten van zijn doorbraak – hij werd in 1915 neergeschoten door een sluipschutter tijdens zijn dienst bij de Royal Engineers., Maar kort na het einde van de oorlog deed Rutherford ’s team ontdekkingen die de fysieke fundamenten van Moseley’ s atoomgetallen blootlegden, en terloops Prout ‘ s reputatie reanimeerde.

integrale atoomgetallen leken meer compatibel met Prout ‘ s hypothese dan discussieerbare atoomgewichten. Maar wat waren die cijfers eigenlijk? Rutherford (en onafhankelijk daarvan de Nederlandse natuurkundige Antonius van den Broek) suggereerde dat het atoomnummer van een element gelijk was aan de netto positieve lading op zijn kern., Als dat zo is, waren Soddy ’s isotopen atomen waarvan de kernen dezelfde lading hadden maar verschillende massa’ s. De massaspectrograaf, ontwikkeld door de Britse chemicus Francis Aston in 1919, bevestigde dit door vele isotopen te identificeren, en uiteindelijk door sommige ervan fysiek te scheiden.in 1920 was Rutherford tot de conclusie gekomen dat alle zwaardere atoomkernen waterstofkernen bevatten. Hij leidde dit af uit een experiment waarbij alfa-deeltjes (heliumkernen), afgevuurd op stikstofatomen, atomen van een zuurstofisotoop produceerden, plus waterstofkernen., Het leek erop dat waterstofkernen uit de zwaardere atomen werden geslagen – maar blijkbaar waren er ook andere componenten. Kernmassa ‘ s waren te groot om te worden verklaard door het aantal waterstofkernen dat nodig was om hun positieve ladingen te leveren, en Rutherford vermoedde dat de extra massa afkomstig was van neutrale deeltjes. (Deze’ neutronen ‘werden later gedetecteerd door Rutherford’ s assistent James Chadwick. Tijdens de bijeenkomst van de British Association in 1920 stelde Rutherford voor om de waterstofkern een proton te noemen – een naam die hij expliciet verbond met Prout ‘ s proto hyle.,