är all materia gjord av bara ett element?

även om de senaste resultaten från den stora Hadronkollidern verkar stödja standardmodellen för kärnstruktur fortsätter debatten om materiens slutliga sammansättning. Strängteori har anhängare (inklusive Stephen Hawking), liksom supersymmetri. Under tiden är mörk materia-även om den betraktas som väsentlig av astrofysiker – fortfarande gåtfull och elusiv., Sådana argument har en lång förhistoria.

de tidigaste människorna insåg att olika material har olika egenskaper, och utnyttjade dem uppfinningsrikt, med hjälp av flint för att göra verktyg och röda ockra för att dekorera grottväggar. Att skilja mellan olika ämnen blev en viktig funktion av mänskligt tal-även språken hos så kallade primitiva stamfolk är rika på sådana beskrivande termer. På samma sätt utgör kategorisering av ämnen som ”rena” eller ”orena” en hörnsten i många religioner.,

vissa tidiga grekiska filosofiska texter hävdar dock att den rika mångfalden i den materiella världen alla härrör från modifieringar av en enda elementär substans. Omkring 580 f. Kr. Thales av Miletus föreslog att det grundläggande elementet var vatten. Något senare hävdade Heraklitus i Efesos att det var eld, och det fanns andra utmanare. Så småningom uppstod en konsensus – det fanns fyra markbundna element (eld, vatten, jord och luft) och ytterligare en i himlen (aether). Med Aristoteles auktoritet bakom det accepterades denna femfaldiga uppdelning i århundraden., Men tron på ett enda ultimat element (en världsutsikt som ofta kallas ”monism”) försvann aldrig helt. 1815 William Prout revisited idén, med långtgående konsekvenser.

bevis mot Prouts hypotes ackumulerad under 1800-talet, men flera framstående kemister erkände sin underliggande logik., Det fick ny trovärdighet från början av 1900-talet framsteg inom kärnvetenskap, och 1913 rivde Henry Moseley ett stort hinder för dess rehabilitering genom att använda röntgenstrålar för att beställa elementen med atomnummer snarare än massa. När första världskriget började tog Moseley värvning, och han dog i Gallipoli 1915. I år firas hans upptäckter vid University of Oxfords Museum of Science. Men deras historiska betydelse blir tydligare om de ses tillsammans med det djärva förslaget Prout gjorde ett sekel tidigare.,

gå avdelningarna

William Prout var en sen Utvecklare. Född i en Gloucestershire bondens familj i 1785, fick han en skissartad utbildning (förmodligen avbruten av stavar av jordbruksarbete). I 1805, i åldern 20, gick han till pastor Thomas Jones’ school i Bristol, och medan han undervisade juniors grundläggande färdigheter fick han coaching i avancerade ämnen som krävs för tillträde till University of Edinburgh. Han uppnådde detta 1808, vid den relativt mogna åldern av 23.

I Edinburgh, Prout inkom med Alexander Adam (vars dotter Agnes han skulle gifta sig i 1814)., Efter examen som läkare i medicin 1811 tillbringade han den sedvanliga perioden som gick på avdelningarna i London sjukhus innan han kvalificerade sig som licentiat vid Royal College of Physicians 1812. Denna licens tillät honom att etablera en praxis i London, men det var inte hans enda ambition. Sedan hans dagar i Bristol hade han varit aktivt involverad i kemi, och 1814 var han säker nog att erbjuda några privata kemiska föreläsningar. De hjälpte honom att få tillträde till Londons vetenskapliga samfund, och han blev en kollega i Royal Society 1819.,

under hela sin medicinska karriär undersökte Prout kemiska fenomen med biologisk betydelse. Han visade att magsaft innehåller saltsyra, och hans trepartsfördelning av näringsämnen i ”sackarinösa” (kolhydrat), ”oljehaltiga” (fett) och ”albuminösa” (protein) var allmänt accepterad. Kemiska analyser var centrala för hans studie av tillstånd som påverkar urinvägarna, som diabetes och njursten, och hans 1821 avhandling om dem hade fem engelska utgåvor och översattes till franska och tyska., Det var dock hans spekulationer om den enhet i frågan som hade störst inverkan.

djärva spekulationer

Prouts första publikation om detta ämne uppträdde (anonymt) 1815. Det började ” författaren till följande uppsats lämnar det till allmänheten med största diffidence. Han litar dock på att dess betydelse kommer att ses”. Dess titel på förhållandet mellan kroppens specifika graviteter i sina gasformiga tillstånd och deras atomer kan tyckas okontroversiella, men vid den tiden var det ett hett ämne.,

den kemiska atomteorin, som Manchesters John Dalton baserade på kombinationsvikterna av element, var knappt ett decennium gammal. Joseph Gay-Lussacs experiment i Paris på de kombinerade volymerna av gasformiga element var ännu nyare. Uppenbara skillnader mellan de gravimetriska och volymetriska beräkningarna förbryllade många kemister. (Denna förvirring fortsatte i årtionden, tills betydelsen av Avogadros lag förstod.,) Prout försökte klargöra saker genom att samla information om de relativa vikter och volymer där elementen kombineras, men hans artikel hade ett sting i svansen.

de flesta av Prouts numeriska data kom från publikationer av framstående kemister, men han hade upprepade många mätningar själv. De ser med för att visa att atomvikter (i förhållande till väte) hade integrerade värden, och han påminde om, ”jag hade ofta observerat det nära tillvägagångssättet till runda tal innan jag leddes för att undersöka ämnet”., Han noterade också att många atomvikter var delbara med fyra (och några av åtta) och undrade om alla ämnen kan bestå (”sammansatta”) av väte och syre.

denna radikala fråga var frånvarande från Prouts nästa papper, publicerat 1816, som huvudsakligen ägnades åt att korrigera mindre fel i föregångaren. Han avslutade dock med en annan djärv spekulation., Efter att ha upprepat att alla atomvikter (i förhållande till väte) verkade vara hela tal, föreslog Prout att väte var den grundläggande primära frågan från vilken alla ämnen var sammansatta – den proto hyle som föreslagits av antika grekiska filosofer som Thales.

denna tanke var, Prout erkände, ”inte helt ny”. Flera av hans samtidiga misstänkte att många så kallade element inte var enkla ämnen. (Humphry Davy – som hade upptäckt flera av dem-föredrog termen ”oupptäckta kroppar”.,) Ändå blev tanken att alla de förmodade elementen bestod av väteatomer kända bland kemister som Prouts hypotes. Även om det ofta kritiserades fortsatte det att stimulera debatten långt efter hans död 1850.

Illusion förvirring

en tidig supporter var den skotska kemisten Thomas Thomson, vars atomviktmätningar verkade förenliga med hypotesen. Men den framstående svenska kemisten Jöns Berzelius var oense och kritiserade Thomsons experimentella teknik på intemperat språk. Trots Berzelius motstånd fortsatte intresset för Prouts idé., Under 1840-talet och 1850 – talet Jean – Baptiste Dumas-den ledande franska kemisten i eran-gav det allvarligt övervägande. Men den belgiska Jean Stas, men inledningsvis sympatisk, drog 1860 slutsatsen att hypotesen var ”ren illusion”. Efter att ha mätt många atomvikter exakt fann han att de avviker avsevärt från hela tal.

Även om Stas resultat var imponerande, hävdade den schweiziska Jean Marignac att närheten till så många atomvikter till integrerade värden var statistiskt osannolikt att ha uppstått av en slump., Han föreslog också (som Dumas hade gjort) att icke-integrerade atomvikter kan förklaras om de ultimata elementära partiklarna hade en massa exakt hälften, eller en fjärdedel, av en väteatom. Slutligen föreslog Marignac att en kompositatoms massa kunde vara mindre än de kombinerade massorna av dess komponenter – en vild spekulation som så småningom visade sig vara korrekt.

under tiden genererade upptäckter i fysik nya argument för delbarheten av atomer., De Engelska spektroskopisterna Norman Lockyer och William Crookes hävdade att avvikande emissionsspektra avslöjade nedbrytningen av element under extrema förhållanden-inuti solen och stjärnorna eller i högspännings elektriska urladdningar. I 1886 Crookes föreslog att den grundläggande komponenten i materia var något som Prout proto hyle (även känd som protyle) som genererade de tyngre elementen genom en evolutionär process medan kylning från stellar till terrestriala temperaturer.,

tanken på atomär utvecklingen tagit fart i 1902 när Nya Zeeland fysikern Ernest Rutherford och den engelska kemisten Frederick Soddy, som arbetar på Kanadas McGill University, meddelade att radioaktivt sönderfall inblandade transmutation av ett grundämne till ett annat. Soddy bestämde senare att statusen för flera radioaktiva ämnen som tidigare ansågs vara element var problematisk. År 1913 var han trött på att skriva ”element kemiskt identiska och icke-separerbara med kemiska metoder”, och började kalla dem ”isotoper” – ett namn som föreslagits av den skotska läkaren Margaret Todd., Samma år började Henry Moseleys arbete med röntgenspektra föra ordning i denna förvirrande samling av enheter.

atomnummer upptäckte

Till skillnad från Prout växte Moseley upp i academia., Hans far och farfar var vetenskapsprofessorer (den tidigare vid University of Oxford, den senare vid King ’ s College London), medan hans morfar var expert på blötdjur och en karl i Royal Society. På Oxford lyste Moseley i matematik och vetenskap (och rodde för hans college). Efter examen 1910 utsågs han till föreläsare i fysik vid University of Manchester, och började sin forskning som Rutherford utvecklade teorin om kärnatomen där.,

1913 började Moseley kartlägga spektrumlinjerna som produceras när röntgenstrålarna diffraheras genom en kristallgitter. Hans röntgenstrålning genererades genom att rikta katodstrålar (elektroner) på mål gjorda av olika element, och sommaren 1914 hade han bombarderade prover av många metaller. Han fann att frekvenserna för den mest intensiva kortvågslinjen i röntgenspektrumet för varje element kunde kopplas med en enkel ekvation till elementets position i det periodiska bordet (representerat av ett heltal som han kallade sitt ”atomnummer”).,

i det periodiska systemet placerades de flesta elementen i stigande ordning med atomvikt. Men för några par element, som argon och kalium, måste viktordern inverteras för att lokalisera dem i de mest lämpliga grupperna. Moseleys ekvation förklarade dessa anomalier, vilket gav fasta skäl för tron att atomnummer var mer grundläggande än atomvikt.

Moseleys beräkningar avslöjade luckor i listan över atomnummer, som han tilldelade till element som ännu inte upptäckts., (Några av dessa hade länge misstänkts existera, och de flesta isolerades därefter med kemiska medel.) Under tiden, i den tunga änden av det periodiska bordet, fanns det tydligen fler element än atomnummer – ett problem Soddy tog redan upp med sitt koncept av isotopen.

Moseley såg inte de fullständiga resultaten av hans genombrott – han sköts av en prickskytt 1915 medan han tjänstgjorde med de kungliga ingenjörerna., Men strax efter kriget slutade, gjorde Rutherfords lag upptäckter som avslöjade de fysiska grunden för Moseleys atomnummer och återupplivade för övrigt Prouts rykte.

integrerade atomnummer verkade mer kompatibla med Prouts hypotes än debateable atomvikter. Men vad representerar dessa siffror egentligen? Rutherford (och självständigt, den holländska fysikern Antonius Van Den Broek), föreslog att ett Elements atomnummer var lika med den positiva laddningen på dess kärna., I så fall var Soddys isotoper atomer vars kärnor hade samma laddning men olika massor. Masspektrografen, utvecklad av den brittiska kemisten Francis Aston 1919, bekräftade detta genom att identifiera många isotoper, och så småningom genom att fysiskt separera några av dem.

1920 Rutherford hade dragit slutsatsen att alla tyngre atomkärnor innehöll vätekärnor. Han drog slutsatsen detta från ett experiment där alfapartiklar (heliumkärnor) avfyrade vid kväveatomer producerade atomer av en syreisotop, plus vätekärnor., Det verkade som om vätekärnor slogs ut ur de tyngre atomerna – men tydligen fanns det också andra komponenter. Kärnmassorna var för stora för att redovisas av antalet vätekärnor som behövs för att ge sina positiva laddningar, och Rutherford misstänkte att den extra massan kom från neutrala partiklar. (Dessa ”neutroner” upptäcktes senare av Rutherfords assistent James Chadwick.) Granska dessa frågor vid 1920 British Association meeting, Rutherford föreslog att kalla vätgaskärnan en proton – ett namn han uttryckligen kopplade till Prout proto hyle.,

Prout

Rutherfords hyllning till Prout verkar för mycket som ett konventionellt lyckligt slut för att vara sant. Och det var faktiskt en olycklig uppföljare. Inledningsvis verkade det som om de icke-integrerade atomvikterna som hade frustrerat Prouts anhängare kunde förklaras av det faktum att många element i naturen existerar som blandningar av isotoper. Men det blev uppenbart att även rena isotoper inte nödvändigtvis har integrerade atommassvärden., Som Marignac hade gissat, behöver en atoms massa inte motsvara summan av massorna av dess komponentpartiklar.

1915 förklarade den amerikanska fysiska kemisten William Harkins varför. Han hävdade att för att hålla (elektriskt repulsiva) protoner tillsammans i en atomkärna, en del av deras massa omvandlas till bindande energi. Harkins kallade detta ”massdefekten” av kärnan. Att tillämpa Albert Einsteins E=mc2-formel till den saknade massan indikerade att stora mängder energi skulle befrias genom fission av tunga kärnor eller genom fusion av lätta.,

på 1940-talet uppnåddes kontrollerad kärnklyvning, med förödande resultat för de japanska städerna Hiroshima och Nagasaki. Snart efteråt visade astrofysiker som Fred Hoyle hur kärnfusion inuti solen och stjärnor släpper ut mycket större mängder energi, samtidigt som man skapade element tyngre än väte. Prouts tro på att alla element är gjorda av väte var således rättfärdigad, men på ett sätt som han aldrig kunde ha drömt om., De icke-integrerade atomviktsvärdena som undergrävde hans hypotes förklarades också, delvis av förekomsten av isotoper, och delvis av omvandlingen av en viss kärnmassa till bindande energi – ”massdefekten”.

ännu finns det ingen internationellt överenskommen måttenhet för massdefekter. 1946 föreslog den amerikanske fysikern Enos Witmer att den skulle sättas till 1/12 av deuterons bindande energi (kärnan i väteens tunga isotop), och kallade den preliminärt ”prout”, men hans förslag fick lite stöd. Kanske 2015 kan vara ett bra år att återuppliva det?