toda a matéria é feita de apenas um elemento?

Embora os resultados recentes do Grande colisor de Hádrons aparecem para apoiar o modelo padrão de estrutura nuclear, o debate sobre a composição definitiva da matéria continua. A teoria das Cordas tem apoiantes (incluindo Stephen Hawking), assim como a supersimetria. Enquanto isso, a matéria escura – embora considerada essencial pelos astrofísicos – permanece enigmática e esquiva., Tais argumentos têm uma longa pré-história.os primeiros humanos reconheceram que diferentes materiais têm propriedades diferentes, e exploraram-nos inventivamente, usando flint para fazer ferramentas e ocre vermelho para decorar paredes de cavernas. A distinção entre diferentes substâncias tornou – se uma função importante do discurso humano-mesmo as línguas dos chamados povos tribais primitivos são ricas em termos tão descritivos. Do mesmo modo, a classificação de substâncias como “limpas” ou “impuras” constitui uma pedra angular de muitas religiões.,no entanto, alguns textos filosóficos gregos antigos argumentam que a rica diversidade do mundo material deriva de modificações de uma única substância elementar. Por volta de 580 A. C., Tales de Mileto propôs que o elemento fundamental era a água. Um pouco mais tarde, Heráclito de Éfeso alegou que era fogo, e havia outros candidatos. Eventualmente surgiu um consenso-havia quatro elementos terrestres (fogo, água, terra e ar) e mais um nos céus (éter). Com a Autoridade de Aristóteles por trás dela, esta divisão cinco vezes foi aceita por séculos., Mas a crença num único elemento final (uma visão de mundo muitas vezes chamada de “monismo”) nunca desapareceu completamente. Em 1815, William Prout revisitou a ideia, com consequências de longo alcance.

Evidência contra a hipótese de Prout acumulados ao longo do século 19, no entanto, vários eminentes químicos reconheceu a sua lógica subjacente., Ganhou nova credibilidade com os avanços da ciência nuclear no início do século XX, e em 1913 Henry Moseley demoliu um grande obstáculo à sua reabilitação usando raios-x para ordenar os elementos pelo número atômico em vez da massa. Quando a Primeira Guerra Mundial começou, Moseley alistou-se e morreu em Gallipoli em 1915. Este ano, suas descobertas estão sendo comemoradas no Museu de História da ciência da Universidade de Oxford. No entanto, o seu significado histórico torna-se mais claro se forem vistos ao lado da proposta ousada Prout feita um século antes.,

Walking the wards

William Prout was a late developer. Nascido em uma família de fazendeiros de Gloucestershire em 1785, ele teve uma educação superficial (provavelmente interrompida por feitiços de trabalho agrícola). Em 1805, aos 20 anos, ingressou na Escola do Reverendo Thomas Jones em Bristol, e enquanto ensinava as habilidades básicas juniors, recebeu treinamento em disciplinas avançadas necessárias para a admissão na Universidade de Edimburgo. Ele conseguiu isso em 1808, com a idade relativamente madura de 23 anos.em Edimburgo, Prout alojou-se com Alexandre Adão (cuja filha Inês se casaria em 1814)., Tendo-se formado em medicina em 1811, passou o período habitual nas enfermarias dos hospitais de Londres antes de se qualificar como licenciada do Royal College of Physicians em 1812. Esta licença permitiu-lhe estabelecer uma prática em Londres, mas essa não era a sua única ambição. Desde seus dias em Bristol, ele estava ativamente envolvido com química, e em 1814 ele estava confiante o suficiente para oferecer algumas palestras privadas sobre química. Eles ajudaram-no a entrar na comunidade científica de Londres, e ele tornou-se membro da Royal Society em 1819.,ao longo da sua carreira médica, Prout investigou fenómenos químicos com significado biológico. Ele provou que os sucos gástricos contêm ácido clorídrico, e sua divisão tripartite de nutrientes em “saccharinous” (carbohidrato), “oleaginous” (gordura) e “albuminous” (proteína) foi amplamente aceita. Análises químicas foram fundamentais para seu estudo de condições que afetam o sistema urinário, como diabetes e pedras nos rins, e seu tratado de 1821 sobre eles teve cinco edições em inglês e foi traduzido para francês e alemão., No entanto, foram as suas especulações sobre a unidade da matéria que tiveram o maior impacto.

especulações a negrito

a primeira publicação de Prout sobre este tópico apareceu (anonimamente) em 1815. Começou ‘o autor do ensaio seguinte submete – o ao público com a maior desconfiança. Ele confia, no entanto, que sua importância será vista”. Seu título sobre a relação entre as gravidades específicas dos corpos em seus Estados gasosos e os pesos de seus átomos pode parecer incontroverso, mas na época este era um tópico quente.,

a teoria química atômica, que John Dalton, de Manchester, baseado na combinação de pesos de elementos, tinha apenas uma década de idade. Os experimentos de Joseph Gay-Lussac em Paris sobre os volumes combinados de elementos gasosos foram ainda mais recentes. Discrepâncias aparentes entre os cálculos gravimétricos e volumétricos intrigaram muitos químicos. (Esta confusão continuou por décadas, até que o significado da lei de Avogadro foi compreendido., Prout tentou esclarecer as coisas, coletando informações sobre os pesos relativos e volumes em que os elementos combinados, mas seu artigo tinha uma picada em sua cauda.

A maioria dos dados numéricos de Prout veio de publicações de eminentes químicos, embora ele mesmo tivesse repetido muitas medições. Eles vêem med para mostrar que os pesos atômicos (em relação ao hidrogênio) tinham valores integrais, e ele lembrou, “eu tinha muitas vezes observado a aproximação próxima aos números redondos antes que eu fosse levado a investigar o assunto”., Ele também observou que muitas das massas atômicas foram divisível por quatro (e alguns por oito), e queria saber se todas as substâncias podem ser feitas até (‘composto’) de hidrogênio e oxigênio.

esta consulta radical estava ausente do próximo artigo de Prout, publicado em 1816, que foi principalmente dedicado a corrigir erros menores em seu antecessor. No entanto, ele concluiu com outra especulação ousada., Depois de reiterar que todos os pesos atômicos (relativos ao hidrogênio) pareciam ser números inteiros, Prout sugeriu que o hidrogênio era a matéria primária fundamental a partir da qual todas as substâncias eram compostas – o proto hile proposto por filósofos gregos antigos como Thales.

Este pensamento foi, Prout reconheceu, ‘não completamente novo’. Vários de seus contemporâneos suspeitavam que muitos dos chamados elementos não eram substâncias simples. (Humphry Davy – que tinha descoberto vários deles-preferiu o termo “corpos não compostos”., No entanto, a ideia de que todos os supostos elementos eram compostos de átomos de hidrogênio tornou-se conhecida entre os químicos como hipótese de Prout. Embora frequentemente criticado, continuou a estimular o debate muito depois de sua morte em 1850.

confusão de ilusão

um dos primeiros apoiadores foi o químico escocês Thomas Thomson, cujas medidas de peso atômico pareciam compatíveis com a hipótese. No entanto, o eminente químico sueco Jöns Berzelius discordou, criticando a técnica experimental de Thomson em linguagem intemperada. Apesar da oposição de Berzelius, o interesse na ideia de Prout persistiu., Durante as décadas de 1840 e 1850, Jean-Baptiste Dumas – O principal químico francês da época – deu-lhe uma consideração séria. Mas o belga Jean Stas, embora inicialmente simpático, concluiu em 1860 que a hipótese era “pura ilusão”. Tendo medido muitos pesos atômicos com precisão, ele descobriu que eles se desviaram significativamente de números inteiros.embora os resultados de Stas fossem impressionantes, o suíço Jean Marignac argumentou que a proximidade de tantos pesos atômicos aos valores integrais era estatisticamente improvável ter surgido por acaso., Ele também propôs (como Dumas tinha feito) que não integral pesos atômicos, pode ser explicado se o ultimate partículas elementares tinha uma massa exatamente a metade, ou um quarto, de um átomo de hidrogênio. Finalmente, Marignac sugeriu que a massa de um átomo composto poderia ser menor do que as massas combinadas de seus componentes – uma especulação selvagem que eventualmente provou ser correta.entretanto, descobertas em física geraram novos argumentos para a divisibilidade dos átomos., Os espectroscopistas ingleses Norman Lockyer e William Crookes alegaram que espectros de emissão anômalos revelaram a decomposição de elementos em condições extremas – dentro do sol e estrelas, ou em descargas elétricas de alta tensão. Em 1886, Crookes sugeriu que o componente fundamental da matéria era algo como proto hile de Prout (também conhecido como protyle), que gerava os elementos mais pesados por um processo evolutivo enquanto esfriava das temperaturas estelares para as terrestres.,a ideia da evolução atômica ganhou impulso em 1902, quando o físico Neozelandês Ernest Rutherford e o químico inglês Frederick Soddy, trabalhando na Universidade McGill do Canadá, anunciaram que o decaimento radioativo envolvia a transmutação de um elemento em outro. Soddy mais tarde decidiu que o status de várias substâncias radioativas anteriormente consideradas como elementos era problemático. Em 1913, ele estava cansado de escrever “elementos quimicamente idênticos e não separáveis por métodos químicos”, e começou a chamá-los de “isótopos” – um nome sugerido pela médica escocesa Margaret Todd., No mesmo ano, o trabalho de Henry Moseley sobre espectros de raios-x começou a trazer ordem para esta confusa gama de entidades.

números Atômicos descoberto

ao contrário de Prout, Moseley cresceu na academia., Seu pai e avô paterno eram professores de Ciências (o primeiro na Universidade de Oxford, o segundo no King’s College London), enquanto seu avô materno era um especialista em moluscos e um companheiro da Royal Society. Em Oxford, Moseley brilhou em matemática e Ciência (e remou para seu colégio). Graduando-se em 1910, ele foi nomeado professor de física na Universidade de Manchester, e começou sua pesquisa como Rutherford estava desenvolvendo a teoria do átomo nuclear lá.,

em 1913 Moseley começou a traçar as linhas de espectro produzidas quando os raios-x são difratados através de uma rede de cristal. Seus raios-x foram gerados por direcionar raios catódicos (elétrons) para alvos feitos a partir de vários elementos, e no verão de 1914 ele tinha bombardeado amostras de muitos metais. Ele descobriu que as frequências mais intensas de onda curta linha no raio-x do espectro de cada elemento pode ser ligado, por uma equação simples, para que a posição do elemento na tabela periódica (representado por um número inteiro, que ele chamou de seu “número atômico’).,

na tabela periódica, a maioria dos elementos foram colocados em ordem ascendente de peso atômico. Mas para alguns pares de elementos, como argônio e potássio, a ordem de peso teve que ser invertida para localizá-los nos grupos mais apropriados. A equação de Moseley explicou essas anomalias, fornecendo fundamentos sólidos para a crença de que o número atômico era mais fundamental do que o peso atômico.os cálculos de Moseley revelaram lacunas na lista de números atômicos, que ele atribuiu a elementos ainda não descobertos., (Alguns deles eram suspeitos de existir há muito tempo, e a maioria foram posteriormente isolados por meios químicos. Enquanto isso, no final pesado da tabela periódica, havia aparentemente mais elementos do que números atômicos – um problema que Soddy já estava abordando com seu conceito do isótopo.Moseley não viu os resultados completos de sua descoberta-ele foi baleado por um atirador furtivo em 1915, enquanto servia com os engenheiros reais., Mas logo após o fim da guerra, a equipe de Rutherford fez descobertas que revelaram os fundamentos físicos dos números atômicos de Moseley, e, incidentalmente, ressuscitou a reputação de Prout.

números atômicos integrais pareciam mais compatíveis com a hipótese de Prout do que pesos atômicos debatíveis. Mas o que esses números realmente representam? Rutherford (e independentemente, o físico holandês Antonius Van den Broek), sugeriu que o número atômico de um elemento era igual à carga positiva líquida sobre seu núcleo., Se sim, os isótopos de Soddy eram átomos cujos núcleos tinham a mesma carga, mas massas diferentes. O espectrógrafo de massa, desenvolvido pelo químico britânico Francis Aston em 1919, confirmou isso identificando muitos isótopos, e eventualmente separando fisicamente alguns deles.em 1920 Rutherford concluiu que todos os núcleos atômicos mais pesados continham núcleos de hidrogênio. He inferred this from an experiment in which alpha particles (helium nuclei) fired at nitrogen at produced atoms of an oxygen isotope, plus hydrogen nuclei., Parecia que os núcleos de hidrogênio foram eliminados dos átomos mais pesados – mas aparentemente havia outros componentes também. Massas nucleares eram muito grandes para serem contabilizadas pelo número de núcleos de hidrogênio necessários para fornecer suas cargas positivas, e Rutherford suspeitou que a massa extra veio de partículas neutras. (Estes ‘neutrões’ foram detectados mais tarde pelo Assistente de Rutherford, James Chadwick. Revisando essas questões na reunião da Associação Britânica de 1920, Rutherford sugeriu chamar o núcleo de hidrogênio de um próton – um nome que ele ligou explicitamente com proto hile de Prout.,

O Prout

de Rutherford homenagem a Prout parece muito como uma convencional final feliz para ser verdade. E que funesto destino! Inicialmente, parecia que os pesos atômicos não integrais que tinham frustrado os apoiadores de Prout poderiam ser explicados pelo fato de que na natureza muitos elementos existem como misturas de isótopos. Mas tornou-se evidente que mesmo os isótopos puros não têm necessariamente valores de massa atômica integral., Como Marignac tinha adivinhado, a massa de um átomo não precisa igualar a soma das massas de suas partículas componentes.em 1915, o físico-químico americano William Harkins explicou porquê. He argued that in order to hold the (electrically repulsive) protons together in an atomic nucleus, part of their mass is transformed into binding energy. Harkins chamou isso de “defeito de massa” do núcleo. Aplicando a fórmula E=mc2 de Albert Einstein à massa em falta indicou que grandes quantidades de energia deveriam ser liberadas pela fissão de núcleos pesados, ou pela fusão de núcleos leves.,na década de 1940, a fissão nuclear controlada foi realizada, com resultados devastadores para as cidades japonesas de Hiroshima e Nagasaki. Logo depois, astrofísicos como Fred Hoyle mostraram como a fusão nuclear dentro do sol e das estrelas libera quantidades muito maiores de energia, enquanto também criam elementos mais pesados que o hidrogênio. A crença de Prout de que todos os elementos são feitos de hidrogênio foi, assim, justificada, embora de uma forma que ele nunca poderia ter sonhado., Os valores de massa atômica não integral que minaram sua hipótese também foram explicados, em parte pela existência de isótopos, e em parte pela conversão de alguma massa nuclear para a energia de ligação – o “defeito de massa”.

ainda não existe uma unidade de medida internacionalmente acordada para os defeitos de massa. In 1946 American physicist Enos Witmer proposed that it should be set at 1/12 of the binding energy of the deuteron (the nucleus of hydrogen’s heavy isotope), and provisoriamente named it ‘the prout’, but his suggestion gained little support. Talvez 2015 possa ser um bom ano para revivê-lo?