所有物质由只是一个元素?

尽管最近的结果大型强子对撞机似乎支持核结构的标准模型,讨论的最终组成物质仍在继续。弦理论的支持者(包括史蒂芬·霍金),也是超对称性。同时,暗物质——尽管视为重要的天体物理学家——仍然是神秘的,难以捉摸。这些论点有很长的史前。

最早的人类认识到,不同的材料有不同的属性,并利用他们有创造力地,用燧石工具和氧化铁洞穴的墙壁装饰。区分不同的物质成为人类语言的重要功能,甚至所谓的原始部族的语言富含这种描述性的词汇。类似地,并将物质分类为“清洁”或“不洁”形式许多宗教的基石。

然而,一些早期希腊哲学文献认为,物质世界的丰富多样性都来源于修改一个单质。公元前580年左右米利都的泰勒斯提出的基本元素是水。之后,赫拉克利特的以弗所声称这是火,还有其他竞争者。最终达成共识——有四个陆地出现元素(火、水、土和空气)和一个在天上(乙醚)。与亚里士多德的权威,这五倍部门接受了几个世纪。但相信一个终极元素(一个世界观通常被称为“一元论”)从未完全消失。1815年威廉·普劳特重新审视这个想法,与深远的影响。

不利于普劳特假说的证据积累在整个19世纪,一些著名的化学家承认其基本逻辑。它得到了新鲜的信誉从20世纪初核科学的进步,并在1913年亨利·莫斯利拆除其康复的主要障碍通过使用x射线顺序的元素原子序数,而不是质量。当第一次世界大战开始莫斯利参军,他在1915年死于加利波利。今年,他发现被牛津大学纪念博物馆的历史科学。然而,他们的历史意义变得更清楚,如果他们被视为与大胆提议普劳特世纪前。

走在病房

威廉·普劳特是后期开发人员。1785年出生于一个格洛斯特郡农民的家庭,他有一个粗略的教育(可能打断了法术的农业工作)。1805年,20岁的他加入了牧师托马斯·琼斯的学校在布里斯托尔,而教学初中基本技能他收到教练先进学科进入爱丁堡大学的所必需的。在1808年,他实现了这个相对成熟的23岁。

在爱丁堡,普劳特提出与亚历山大·亚当(其女儿艾格尼丝在1814年嫁给)。1811年作为一个医学博士毕业后,他在伦敦用习惯的时间走病房医院管理学副博士的排位赛之前在1812年皇家医师学院的。本授权允许他在伦敦建立实践,但这不是他唯一的雄心。自从他在布里斯托尔他一直积极参与化学,到1814年,他有足够的信心提供一些私人化学课。他们帮助他进入伦敦的科学界,而他在1819年成为英国皇家学会的研究员。

在他的整个医疗事业,普劳特研究化学现象与生物意义。他证明了胃果汁含有盐酸,营养和他三方分为“saccharinous”(碳水化合物)、“油腻的”(脂肪)和“蛋白”(蛋白质)被广泛接受。化学分析是研究的核心条件影响泌尿系统,如糖尿病、肾结石,他1821年的论文上有5个英语版本,并翻译成法语和德语。然而,这是他猜测的统一有最大的影响。

大胆的猜测

普劳特第一次出版关于这个主题出现在1815年(匿名)。开始下面的文章的作者提交公众最大的胆怯。然而,他相信,它的重要性将会看到的。它的标题之间的关系的具体特点的身体在气体状态和原子的重量看上去没有异议,但当时这是一个热门话题。

曼彻斯特的化学原子理论约翰·道尔顿基于元素的组合权重,几乎没有一个十年。约瑟夫·吕萨克在巴黎的实验气体元素的结合量甚至更近。重量和体积计算之间的明显差异困惑许多化学家。(这混乱持续了几十年,直到阿伏伽德罗定律的意义理解。)普劳特试图澄清事情通过整理信息的相对重量和体积元素结合起来,但他的文章有刺的尾巴。

普劳特数值数据大部分来自出版物由著名化学家,虽然他重复了许多自己测量。他们看到地中海表明,原子质量(相对于氢)积分值,他回忆道,“我经常观察到整数的方法在我附近导致调查主题的。他还指出,许多原子质量被四整除(和一些由八),并且怀疑一切物质可能是由(“复合”)的氢和氧。

这个激进的查询是缺席普劳特下论文,出版于1816年,主要致力于纠正小错误在它的前身。然而,他的结论是与另一个大胆的猜测。在重申所有原子质量(相对于氢)似乎是整数,普劳特指出,氢的物质基本主要是所有物质都是由——原型实质提出的古希腊哲学家泰勒斯。

这个想法是,普劳特承认,“不完全新的”。同时代的一些人怀疑许多所谓的元素并不是简单的物质。(汉弗莱·戴维发现了其中几个,首选术语“undecompounded尸体”。)然而,这个想法,所有的元素都是由氢原子而在化学家普劳特假说。尽管经常批评,它继续刺激辩论长在他死后1850年。

幻想混淆

最早的支持者之一是苏格兰化学家托马斯·汤森的原子量测量似乎兼容的假设。然而,瑞典著名的化学家乔恩·贝采里乌斯不同意,放纵的语言批评汤姆森的实验技术。尽管贝采里乌斯普劳特想法坚持反对,兴趣。在1850年代和1840年代让-巴蒂斯特·杜马斯——领先时代的法国化学家——把它认真考虑。但比利时吉恩·斯塔斯,虽然最初的同情,在1860年得出结论,认为假设是“纯粹的幻想”。有许多原子质量精确衡量,他发现他们明显偏离整个数字。

虽然斯塔斯的结果令人印象深刻,瑞士Jean Marignac认为很多原子质量积分值的亲密在统计学上不太可能出现的机会。他还提议(杜马斯所做的),非整原子质量可能解释说如果最终的基本粒子有一个大规模一半或四分之一,氢原子。最后,Marignac建议复合原子的质量可能会低于其组件的结合质量——疯狂投机最终被证明是正确的。

同时,发现在物理生成新的原子参数的可分性。英国光谱学家诺曼·洛克威廉•克鲁克斯声称异常发射光谱揭示了元素在极端条件下的分解,在太阳和星星,或在高压放电。1886年克鲁克斯表明物质的基本组成部分是类似普劳特原型实质(也称为protyle)产生更重的元素的进化过程,而冷却从恒星到地球的温度。

原子的概念发展势头在1902年新西兰物理学家欧内斯特·卢瑟福和英国化学家弗雷德里克草皮的加拿大麦吉尔大学合作,宣布放射性衰变嬗变的一个元素到另一个。草皮的后来决定一些放射性物质以前被认为是元素的状态是有问题的。到1913年他厌倦了写“化学元素相同的和不可分离的化学方法”,并开始叫他们“同位素”——一个名字苏格兰医生建议的玛格丽特·托德。同年,亨利·莫斯利的x射线光谱开始工作秩序这让人困惑的一系列实体。

原子序数发现

不像普劳特,莫斯利在学术界长大。他的父亲和祖父都是科学教授(前牛津大学,伦敦大学国王学院),而他的外祖父是一个软体动物专家,英国皇家学会会员。在牛津,莫斯利在数学和科学(和他的大学划)。毕业在1910年,他被任命为曼彻斯特大学的物理学讲师,并开始他的研究作为核原子的卢瑟福是发展理论。

1913年莫斯利开始制图产生当x射线衍射谱线通过一个晶格。他的x射线是由导演阴极射线(电子)到目标由各种元素,和1914年夏天,他炮轰许多金属样品。他发现最激烈的频率在每个元素的x射线光谱短波行可以联系,通过一个简单的方程,这个元素在周期表中的位置(由一个整数代表他称之为“原子序数”)。

在元素周期表中,大多数元素放置在原子量的升序排列。但是几双元素,如氩和钾,重量必须倒来定位他们在最适当的组。莫斯利的方程解释这些异常,提供坚实的理由相信原子序数比原子量更为根本。

莫斯利的计算显示空白列表中的原子数,他分配给元素还未被发现的。(其中一些长期以来一直怀疑存在,通过化学手段和最随后被孤立)。与此同时,在沉重的元素周期表,元素有明显比原子序数,草皮的问题已经解决和他的同位素的概念。

莫斯利的全部结果没有看到他的突破——他在1915年被狙击手射杀而与英国皇家工程师服务。但战争结束后不久,卢瑟福的团队做出的发现揭示了莫斯利的原子序数的物理基础,和顺便复苏普劳特的声誉。

积分原子序数兼容普劳特假说出现超过争议原子质量。但实际上这些数字代表什么?荷兰物理学家卢瑟福(和独立,安东尼·范Broek),建议一个元素的原子序数是等于净正电荷的原子核。如果是这样,草皮的同位素的原子的原子核电荷相同但是不同的质量。质谱仪,由英国化学家弗朗西斯·阿斯顿1919年,证实了这种通过识别许多同位素,最终通过物理分离其中的一些。

到1920年,卢瑟福已经得出的结论是,所有的重原子核含有氢原子核。从一项实验,他推断这个阿尔法粒子(氦原子核)产生的氮原子发射的原子氧同位素,加上氢原子核。似乎氢原子核就出局了较重的原子,但显然也有其他组件。核质量太大被氢原子核的数量占需要提供他们的正电荷,和卢瑟福疑似额外的质量来自中性粒子。(这些“中子”后来被卢瑟福的助理詹姆斯·查德威克)。回顾这些问题在1920年英国协会会议上,卢瑟福提出召唤氢质子核——他和普劳特原型实质与明确。

普劳特的

卢瑟福的敬意普劳特看起来太像传统的大团圆结局是真的。事实上,有一个不幸的续集。最初,似乎非整原子质量曾沮丧普劳特支持者可以解释,在自然界中存在许多元素同位素的混合物。但很明显,即使是纯同位素不一定有积分值的相对原子质量。Marignac猜,一个原子的质量需要不等于它的组成粒子的质量之和。

1915年美国物理化学家威廉·哈金斯解释了为什么。他认为,为了保存(电排斥)质子在一个原子核,它们的质量转化为结合能的一部分。哈金斯称之为原子核的质量缺陷。运用爱因斯坦的E=mc²公式失踪质量表明,大量的能量应该解放重核的裂变,或光的融合。

在1940年代完成控制核裂变,与日本广岛和长崎毁灭性的结果。不久,天体物理学家喜欢弗雷德·霍伊尔表明太阳和星星内部核聚变释放大量的能量,同时也创造了比氢更重的元素。普劳特相信所有元素是由氢就证明是正确的,尽管在他做梦都没想过的一种方式。非整原子量值也破坏了他的假说是解释说,部分通过同位素的存在,部分是由一些核质量结合能的转换——“质量缺陷”。

还没有国际公认的衡量单位质量缺陷。1946年,美国物理学家以挪士威默提出,应该设定在1/12的结合能的氘核(氢的重同位素的原子核),暂时命名为“普劳特”,但他的建议得到了支持。也许2015年可能是一个不错的恢复吗?