Гипотеза Праута
Гипотеза Праута была попыткой начала XIX века объяснить существование различных химических элементов с помощью гипотезы о внутренней структуре атома . В 1815 году [ 1 ] и 1816 г., [ 2 ] английский известных химик Уильям Праут опубликовал две статьи, в которых заметил, что атомные веса измеренные в то время элементов оказались целыми кратными атомному весу водорода . Затем он выдвинул гипотезу, что атом водорода был единственным действительно фундаментальным объектом, который он назвал протилом , и что атомы других элементов на самом деле представляли собой группы из различного количества атомов водорода. [ 3 ]
Гипотеза Праута оказала влияние на Эрнеста Резерфорда , когда в 1917 году ему удалось «выбить» ядра водорода из атомов азота с помощью альфа-частиц, и таким образом он пришел к выводу, что, возможно, ядра всех элементов состоят из таких частиц (ядро водорода), которые в В 1920 году он предложил назвать протоны от суффикса «-он», обозначающего частицы, добавленного к основе слова Праута «протил». [ а ] Предположение, обсуждаемое Резерфордом, заключалось в том, что ядро Z + N = A состоит из протонов плюс N электронов, каким-то образом захваченных внутри, тем самым уменьшая положительный заряд до +Z, как это наблюдалось, и смутно объясняя бета-распада радиоактивность . Было известно, что такое строение ядра несовместимо ни с классической , ни с ранней квантовой динамикой , но казалось неизбежным до появления нейтронной гипотезы Резерфорда и открытия английского физика Джеймса Чедвика .
Несоответствие между гипотезой Праута и известным изменением некоторых атомных весов до значений, далеких от целых кратных водороду, было объяснено между 1913 и 1932 годами открытием изотопов и нейтрона . Согласно правилу целых чисел Фрэнсиса Астона , гипотеза Праута верна для атомных масс отдельных изотопов с погрешностью не более 1%.
Влияние
[ редактировать ]Гипотеза Праута оставалась влиятельной в химии на протяжении 1820-х годов. Однако более тщательные измерения атомного веса, например, проведенные Якобом Берцелиусом в 1828 году или Эдвардом Тернером в 1832 году, опровергли эту гипотезу. [ 4 ] : 682–683 В частности, атомный вес хлора , который в 35,45 раз превышает атомный вес водорода , в то время не мог быть объяснен с точки зрения гипотезы Праута. Некоторые выдвинули специальное утверждение, что основная единица состоит из половины атома водорода, но возникли дальнейшие разногласия. Это привело к гипотезе, что одна четверть атома водорода является общей единицей. Хотя они оказались ошибочными, эти предположения послужили катализатором дальнейших измерений атомных весов.
К 1919 году предполагалось, что несоответствие в атомном весе является результатом естественного существования нескольких изотопов одного и того же элемента. Ф. В. Астон обнаружил множество стабильных изотопов многих элементов с помощью масс-спектрографа . В 1919 году Астон изучал неон с достаточным разрешением, чтобы показать, что массы двух изотопов очень близки к целым числам 20 и 22 и что ни одна из них не равна известной молярной массе (20,2) газа неона . [ 5 ]
К 1925 году было обнаружено, что проблемный хлор состоит из изотопов. 35 кл и 37 Cl в таких пропорциях, что средний вес природного хлора примерно в 35,45 раза превышает вес водорода. [ 6 ] В конечном итоге было обнаружено , что для всех элементов каждый отдельный изотоп с массовым числом A имеет массу, очень близкую к A , умноженному на массу атома водорода, с ошибкой всегда менее 1%. Это почти не соответствует действительности закона Праута. Тем не менее, не было обнаружено правила, позволяющего предсказывать массы изотопов лучше, чем это, для всех изотопов, в основном из-за дефектов массы, возникающих в результате высвобождения энергии связи в атомных ядрах при их образовании.
Хотя все элементы являются продуктом ядерного синтеза водорода в более высокие элементы, сейчас понятно, что атомы состоят как из протонов (ядер водорода), так и из нейтронов . Современная версия правила Праута заключается в том, что атомная масса изотопа с номером протона (атомным номером) Z и номером нейтрона N равна сумме масс составляющих его протонов и нейтронов за вычетом массы ядерной энергии связи, массовый дефект . Согласно правилу целых чисел, предложенному Фрэнсисом Астоном , масса изотопа примерно, но не точно, равна его массовому числу A ( Z + N ), умноженному на единицу атомной массы (u), плюс или минус несоответствие энергии связи – атомная масса. единица измерения является современным приближением «массы протона, нейтрона или атома водорода». Например, атомы железа-56 (которые имеют одну из самых высоких энергий связи) весят всего около 99,1% от веса 56 атомов водорода. Недостающие 0,9% массы представляют собой энергию, потерянную, когда ядро железа образовалось из водорода внутри звезды (см. Звездный нуклеосинтез). ).
Литературные аллюзии
[ редактировать ]В своем романе 1891 года «Деяния Раффлза Хоу » Артур Конан Дойл рассказывает о превращении элементов в другие элементы с уменьшающимся атомным номером , пока не будет достигнуто серое вещество.
В своем романе « Жизнь и судьба » 1959 года главный герой Василия Гроссмана , физик Виктор Штрум, размышляет о гипотезе Праута о том, что водород является источником других элементов (и о том удачном факте, что неверные данные Праута привели к по существу правильному выводу): он беспокоится о своей неспособности сформулировать собственный тезис.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]Сноски
- ^ В сноске к статье О. Массона 1921 года в «Философском журнале» (O. Masson, Phil. Mag. 41, 281, 1921) Резерфорд описывает, как Британская ассоциация содействия развитию науки на своем собрании в Кардиффе , начинающемся 24 августа, 1920 г. (см. отчет о заседании и объявление ) принял предложение Резерфорда назвать ядро водорода «протоном», следуя слову Праута. «протил». Также ср. официальный отчет об этом собрании, А.С. Эддингтон, 1920 г. Отчет о 88-м собрании Британской ассоциации содействия развитию науки (Джон Мюррей: Лондон) с. 34.
Цитаты
- ^ Уильям Праут (1815). О связи между удельным весом тел в газообразном состоянии и массами их атомов. Анналы философии , 6: 321–330. Онлайн-перепечатка
- ^ Уильям Праут (1816). Исправление ошибки в сочинении о связи удельного веса тел в газообразном состоянии с массами их атомов. Анналы философии , 7: 111–13. Онлайн-перепечатка
- ^ Ледерман, Леон (1993). Частица Бога . Дельта. ISBN 978-0-385-31211-0 .
- ^ Джон Л. Хейлброн (14 февраля 2003 г.). Оксфордский справочник по истории современной науки . Издательство Оксфордского университета. стр. 683–. ISBN 978-0-19-974376-6 .
- ^ Масс-спектры и изотопы Фрэнсис В. Астон, лекция на Нобелевскую премию 1922 г.
- ^ Харкинс В.Д. (1925). «Разделение хлора на изотопы (изотопные элементы) и правило целого числа для атомных весов» . Учеб. Натл. акад. наук. США . 11 (10): 624–8. Бибкод : 1925PNAS...11..624H . дои : 10.1073/pnas.11.10.624 . ПМЦ 1086175 . ПМИД 16587053 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Гладстон, Сэмюэл (1947). «Уильям Праут (1785-1850)». Журнал химического образования . 24 (10): 478–481. Бибкод : 1947ЖЧЭд..24..478Г . дои : 10.1021/ed024p478 .
- Бенфей, О. Теодор (1952). «Гипотеза Праута». Журнал химического образования . 29 (2): 78–81. Бибкод : 1952ЖЧЭд..29...78Б . дои : 10.1021/ed029p78 . S2CID 4066298 .
- Зигфрид, Роберт (1956). «Химическая основа гипотезы Праута». Журнал химического образования . 33 (6): 263–266. Бибкод : 1956ЖЧЭд..33..263С . дои : 10.1021/ed033p263 .