czy cała materia składa się tylko z jednego elementu?

chociaż ostatnie wyniki Wielkiego Zderzacza Hadronów wydają się potwierdzać standardowy model struktury jądrowej, trwa debata na temat ostatecznego składu materii. Teoria strun ma zwolenników (m.in. Stephen Hawking), podobnie jak supersymetria. Tymczasem ciemna materia – choć uważana przez astrofizyków za istotną-pozostaje enigmatyczna i nieuchwytna., Takie argumenty mają długą historię.

najwcześniejsi ludzie uznali, że różne materiały mają różne właściwości i wykorzystali je pomysłowo, używając krzemienia do wyrobu narzędzi i czerwonej ochry do ozdabiania ścian jaskiń. Rozróżnianie różnych substancji stało się ważną funkcją mowy ludzkiej – nawet języki tak zwanych prymitywnych ludów plemiennych są bogate w takie określenia opisowe. Podobnie kategoryzowanie substancji jako „czystych” lub „nieczystych” stanowi kamień węgielny wielu religii.,

jednak niektóre wczesne Greckie teksty filozoficzne twierdzą, że bogata różnorodność świata materialnego wynika z modyfikacji jednej elementarnej substancji. Około 580 roku p. n. e.Thales z Miletu zaproponował, że podstawowym pierwiastkiem jest woda. Nieco później Heraklit z Efezu twierdził, że był to ogień i byli inni pretendenci. Ostatecznie wyłonił się konsensus – istniały cztery żywioły ziemskie (ogień, woda, ziemia i powietrze) i jeszcze jeden w niebiosach (eter). Z autorytetem Arystotelesa, ten pięciokrotny podział był akceptowany przez wieki., Jednak wiara w jeden ostateczny element (światopogląd często nazywany „monizmem”) nigdy całkowicie nie zanikła. W 1815 roku William Prout zrewidował ten pomysł, z daleko idącymi konsekwencjami.

dowody przeciwko hipotezie Prouta zgromadzone w XIX wieku, jednak kilku wybitnych chemików uznało jego podstawową logikę., W 1913 roku Henry Moseley zniósł poważną przeszkodę w jego rehabilitacji, używając promieni rentgenowskich do uporządkowania pierwiastków według liczby atomowej, a nie masy. Po wybuchu I wojny światowej Moseley zaciągnął się do wojska i zmarł w Gallipoli w 1915 roku. W tym roku jego odkrycia są upamiętniane w Muzeum Historii Nauki Uniwersytetu Oksfordzkiego. Jednak ich historyczne znaczenie staje się jaśniejsze, jeśli spojrzymy na nie wraz ze śmiałą propozycją Prout złożoną sto lat wcześniej.,

Walking the wards

William Prout był późnym deweloperem. Urodził się w rodzinie farmera z Gloucestershire w 1785 roku, otrzymał pobieżne wykształcenie (prawdopodobnie przerwane przez pracę rolniczą). W 1805 roku, w wieku 20 lat, wstąpił do szkoły wielebnego Thomasa Jonesa w Bristolu i nauczając podstawowych umiejętności juniorów, otrzymał coaching w zaawansowanych przedmiotach wymaganych do przyjęcia na Uniwersytet w Edynburgu. Osiągnął to w 1808 roku, w stosunkowo dojrzałym wieku 23 lat.

w Edynburgu Prout zamieszkał z Aleksandrem Adamem (którego córkę Agnieszkę miał poślubić w 1814 roku)., Po uzyskaniu stopnia doktora medycyny w 1811 roku, spędził zwyczajowy okres chodząc po oddziałach w londyńskich szpitalach, zanim uzyskał licencjat w Royal College Of Physicians w 1812 roku. Licencja ta pozwoliła mu założyć praktykę w Londynie, ale nie była to jego jedyna ambicja. Od jego dni w Bristolu był aktywnie zaangażowany w chemię, a do 1814 był wystarczająco pewny siebie, aby zaoferować kilka prywatnych wykładów chemicznych. Pomogły mu one w przyjęciu do londyńskiego środowiska naukowego, a w 1819 roku został członkiem Royal Society.,

w swojej karierze medycznej Prout badał zjawiska chemiczne o znaczeniu biologicznym. Udowodnił, że soki żołądkowe zawierają kwas solny, a jego TRÓJSTRONNY podział składników odżywczych na „sacharynowe” (węglowodanowe), „oleaginowe” (tłuszczowe) i „albumiczne” (białkowe) był powszechnie akceptowany. Analizy chemiczne były kluczowe dla jego badania warunków wpływających na układ moczowy, takich jak cukrzyca i kamienie nerkowe, a jego traktat z 1821 roku miał pięć angielskich wydań i został przetłumaczony na francuski i niemiecki., Jednak to jego spekulacje na temat jedności materii wywarły największy wpływ.

śmiałe spekulacje

pierwsza publikacja Prouta na ten temat ukazała się (anonimowo) w 1815 roku. Zaczęło się ” autor poniższego eseju przedstawia go opinii publicznej z największą nieufnością. Ufa jednak, że jego znaczenie będzie widoczne”. Jego tytuł na temat relacji między specyficznymi ciężarami ciał w ich stanie gazowym a wagami ich atomów może wydawać się niekontrowersyjny, ale w tamtym czasie był to gorący temat.,

chemiczna teoria atomowa, oparta na łączeniu ciężarów pierwiastków, miała zaledwie dekadę. Jeszcze nowsze były eksperymenty Josepha Gay-Lussaca w Paryżu dotyczące łączenia objętości pierwiastków gazowych. Widoczne rozbieżności między obliczeniami grawimetrycznymi i objętościowymi zaskoczyły wielu chemików. (Zamieszanie to trwało przez dziesięciolecia, aż do zrozumienia znaczenia prawa Avogadro.,) Prout próbował wyjaśnić rzeczy, zestawiając informacje na temat względnych wag i objętości, w których elementy się połączyły, ale jego artykuł miał żądło w ogonie.

Większość danych liczbowych Prouta pochodziła z publikacji wybitnych chemików, choć sam wielokrotnie dokonywał pomiarów. Widzą med, aby pokazać, że masy atomowe (w stosunku do wodoru) mają wartości całkowe, i przypomniał, „często obserwowałem bliskie podejście do okrągłych liczb, zanim zostałem doprowadzony do zbadania tematu”., Zauważył również, że wiele mas atomowych jest podzielnych przez cztery (a niektóre przez osiem) i zastanawiał się, czy wszystkie substancje mogą składać się („zmieszane”) z wodoru i tlenu.

to radykalne zapytanie było nieobecne w kolejnej pracy Prouta, wydanej w 1816 roku, poświęconej głównie korygowaniu drobnych błędów w poprzedniku. Zakończył jednak kolejną śmiałą spekulacją., Po powtórzeniu, że wszystkie masy atomowe (w stosunku do wodoru) wydają się być liczbami całkowitymi, Prout zasugerował, że wodór jest podstawową pierwotną materią, z której wszystkie substancje zostały zbudowane – proto hyle proponowaną przez starożytnych greckich filozofów, takich jak Thales.

ta myśl była, jak przyznał Prout, „zupełnie nowa”. Kilku jego współczesnych podejrzewało, że wiele tak zwanych pierwiastków nie jest prostymi substancjami. (Humphry Davy-który odkrył kilka z nich – wolał określenie „niezłożone ciała”.,) Niemniej jednak idea, że wszystkie przypuszczalne pierwiastki składają się z atomów wodoru, stała się znana wśród chemików jako hipoteza Prouta. Choć często krytykowany, nadal stymulował debatę długo po jego śmierci w 1850 roku.

jednym z pierwszych zwolenników był szkocki chemik Thomas Thomson, którego pomiary masy atomowej wydawały się zgodne z tą hipotezą. Jednak wybitny Szwedzki chemik Jöns Berzelius nie zgodził się, krytykując eksperymentalną technikę Thomsona w języku nieprzejednanym. Mimo sprzeciwu Berzeliusa zainteresowanie ideą Prouta utrzymywało się., W latach 1840 i 1850 Jean-Baptiste Dumas-czołowy francuski chemik epoki-dał mu poważną uwagę. Jednak Belg Jean Stas, choć początkowo sympatyczny, doszedł w 1860 roku do wniosku, że hipoteza ta jest „czystą iluzją”. Po dokładnym zmierzeniu wielu ciężarów atomowych odkrył, że znacznie odbiegają one od liczb całkowitych.

chociaż wyniki Stasa były imponujące, Szwajcar Jean Marignac argumentował, że bliskość tak wielu wag atomowych do wartości całkowych jest statystycznie mało prawdopodobna., Zaproponował również (Jak to uczynił Dumas), że nieintegralne masy atomowe mogą być wyjaśnione, jeśli ostateczne cząstki elementarne mają masę równą połowie lub ćwierci atomu wodoru. W końcu Marignac zasugerował, że masa atomu złożonego może być mniejsza niż łączna masa jego składników – dzika spekulacja, która ostatecznie okazała się słuszna.

tymczasem odkrycia w fizyce generowały nowe argumenty na rzecz podzielności atomów., Angielscy spektroskopi Norman Lockyer i William Crookes twierdzili, że anomalne widma emisyjne ujawniły rozpad pierwiastków w ekstremalnych warunkach-wewnątrz słońca i gwiazd lub w wyładowaniach elektrycznych wysokiego napięcia. W 1886 roku Crookes zasugerował, że podstawowym składnikiem materii jest Prout ' s proto hyle (znany również jako protyle), który wytwarzał cięższe pierwiastki w procesie ewolucyjnym podczas ochładzania się z temperatury gwiazdowej do ziemskiej.,

idea ewolucji atomowej nabrała rozpędu w 1902 roku, kiedy nowozelandzki fizyk Ernest Rutherford i angielski chemik Frederick Soddy, pracujący na Uniwersytecie McGill w Kanadzie, ogłosili, że rozpad radioaktywny wymaga Transmutacji jednego pierwiastka w drugi. Soddy później uznał, że status kilku substancji promieniotwórczych uważanych wcześniej za pierwiastki jest problematyczny. W 1913 roku był zmęczony pisaniem „pierwiastków identycznych chemicznie i nierozdzielalnych metodami chemicznymi” i zaczął nazywać je „izotopami” – nazwa zasugerowana przez szkocką lekarkę Margaret Todd., W tym samym roku prace Henry ' ego Moseleya nad widmami rentgenowskimi zaczęły wprowadzać porządek w tej mylącej tablicy Bytów.

liczby atomowe odkryte

W Przeciwieństwie Do Prouta, Moseley dorastał w środowisku akademickim., Jego ojciec i dziadek ze strony ojca byli profesorami nauk ścisłych (pierwszy na Uniwersytecie Oksfordzkim, drugi na King ' s College London), podczas gdy dziadek ze strony matki był ekspertem od mięczaków i członkiem Royal Society. W Oksfordzie Moseley błyszczał w matematyce i naukach ścisłych (i wiosłował dla swojego college ' u). Po ukończeniu studiów w 1910 został mianowany wykładowcą fizyki na Uniwersytecie w Manchesterze i rozpoczął badania jako Rutherford rozwijał tam teorię atomu jądrowego.,

w 1913 roku Moseley zaczął rysować linie widmowe wytwarzane, gdy promienie x są dyfrakowane przez sieć krystaliczną. Jego promienie rentgenowskie były generowane przez kierowanie promieni katodowych (elektronów) na cele wykonane z różnych pierwiastków, a latem 1914 roku bombardował próbki wielu metali. Odkrył, że częstotliwości najbardziej intensywnej linii fal krótkich w widmie rentgenowskim każdego pierwiastka mogą być połączone prostym równaniem z położeniem tego pierwiastka w układzie okresowym (reprezentowanym przez liczbę całkowitą, którą nazwał „liczbą atomową”).,

w układzie okresowym większość pierwiastków umieszczano w porządku rosnącym o masie atomowej. Ale dla kilku par pierwiastków, takich jak argon i potas, kolejność wagowa musiała być odwrócona, aby zlokalizować je w najbardziej odpowiednich grupach. Równanie moseleya wyjaśniało te anomalie, dając solidne podstawy do przekonania, że liczba atomowa jest bardziej fundamentalna niż masa atomowa.

obliczenia Moseley ' a ujawniły luki w wykazie liczb atomowych, które przypisał pierwiastkom dotychczas nieodkrytym., (Niektóre z nich od dawna podejrzewano, że istnieją, a większość z nich została następnie wyizolowana za pomocą środków chemicznych.) Tymczasem na ciężkim końcu układu okresowego widocznie było więcej pierwiastków niż liczb atomowych – problem Soddy ' ego rozwiązywał już swoją koncepcją izotopu.

Moseley nie widział pełnych rezultatów swojego przełomu – został zastrzelony przez snajpera w 1915 roku podczas służby w Royal Engineers., Jednak wkrótce po zakończeniu wojny zespół Rutherforda dokonał odkryć, które ujawniły fizyczne podstawy liczb atomowych Moseleya, a nawiasem mówiąc przywróciły reputację Prouta.

całkowe liczby atomowe wydawały się bardziej zgodne z hipotezą Prouta niż dyskusyjne masy atomowe. Ale co właściwie reprezentowały te liczby? Rutherford (i niezależnie Holenderski fizyk Antonius Van den Broek) zasugerował, że liczba atomowa pierwiastka jest równa dodatniemu ładunkowi w jądrze., Jeśli tak, to izotopy Soddy ' ego były atomami, których jądra miały ten sam ładunek, ale różne masy. Spektrograf mas, opracowany przez brytyjskiego chemika Francisa Astona w 1919 roku, potwierdził to, identyfikując wiele izotopów i ostatecznie fizycznie oddzielając niektóre z nich.

do 1920 Rutherford doszedł do wniosku, że wszystkie cięższe jądra atomowe zawierają jądra wodoru. Wywnioskował to z eksperymentu, w którym cząstki alfa (jądra helu) wystrzeliwane z atomów azotu wytwarzały Atomy izotopu tlenu plus jądra wodoru., Wydawało się, że jądra wodoru zostały wybite z cięższych atomów – ale najwyraźniej były też inne składniki. Masy jądrowe były zbyt duże, aby można je było obliczyć na podstawie liczby jąder wodoru potrzebnych do dostarczenia ich dodatnich ładunków, a Rutherford podejrzewał, że dodatkowa masa pochodzi od cząstek neutralnych. (Te 'neutrony' zostały później wykryte przez asystenta Rutherforda, Jamesa Chadwicka.) Przeglądając te zagadnienia na posiedzeniu Brytyjskiego Stowarzyszenia w 1920 r., Rutherford zaproponował nazwanie jądra wodoru protonem – nazwą, którą jednoznacznie powiązał z proutem Prouta.,

the Prout

hołd Rutherforda dla Prouta wydaje się zbyt podobny do konwencjonalnego szczęśliwego zakończenia. I rzeczywiście, była niefortunna kontynuacja. Początkowo wydawało się, że nieintegralne masy atomowe, które udaremniły zwolenników Prouta, można wytłumaczyć faktem, że w przyrodzie wiele pierwiastków istnieje jako mieszaniny izotopów. Okazało się jednak, że nawet czyste izotopy niekoniecznie mają całkowe wartości masy atomowej., Jak przypuszczał Marignac, masa atomu nie musi być równa sumie mas jego cząsteczek składowych.

w 1915 roku amerykański chemik fizyczny William Harkins wyjaśnił dlaczego. Twierdził, że aby utrzymać (elektrycznie odpychające) protony razem w jądrze atomowym, część ich masy jest przekształcana w energię wiązania. Harkins nazwał to „masową wadą” jądra. Zastosowanie wzoru Alberta Einsteina E = mc2 do brakującej masy wskazywało, że duże ilości energii powinny zostać uwolnione przez rozszczepienie ciężkich jąder lub przez fuzję lekkich.,

w latach czterdziestych XX wieku dokonano kontrolowanego rozszczepienia jądrowego, co przyniosło katastrofalne skutki dla japońskich miast Hiroszima i Nagasaki. Wkrótce potem astrofizycy, tacy jak Fred Hoyle, pokazali, jak fuzja jądrowa wewnątrz słońca i gwiazd uwalnia znacznie większe ilości energii, tworząc jednocześnie pierwiastki cięższe od wodoru. Przekonanie prouta, że wszystkie pierwiastki są wykonane z wodoru, zostało w ten sposób potwierdzone, choć w sposób, o jakim nigdy nie mógłby marzyć., Nieintegralne wartości masy atomowej, które podważyły jego hipotezę, zostały również wyjaśnione, częściowo przez istnienie izotopów, a częściowo przez zamianę pewnej masy jądrowej na energię wiązania – „defekt masy”.

jak dotąd nie ma uzgodnionej na szczeblu międzynarodowym jednostki miary dla defektów masy. W 1946 roku amerykański fizyk Enos Witmer zaproponował, aby ustawić ją na 1/12 energii wiązania deuteronu (jądra ciężkiego izotopu wodoru) i tymczasowo nazwał ją „prout”, ale jego sugestia zyskała niewielkie poparcie. Może Rok 2015 będzie dobrym rokiem na jego ożywienie?